ultra wide band - Martial COULON

Ultra Wide Band
ULTRA WIDE BAND
Martial COULON
ENSEEIHT - 3 année Télécom-Réseaux - option Mobilité
année 2007-2008
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Ultra Wide Band
Plan du cours
Introduction
Définition
Historique et Réglementations
Applications
Spécificités
Principes de transmission
Emetteurs I-UWB
Forme du pulse
Modulations TH-UWB
Modulations DS-UWB
Emetteurs MC-UWB
Principes généraux
OFDM-UWB
Modélisation du canal
Modèles Large Echelle
Modèles Petite Echelle
Récepteurs
Problèmes généraux pour récepteurs UWB
Récepteurs I-UWB
Récepteurs MC-UWB
Coexistence avec d’autres systèmes
Interférences UWB sur systèmes NB
Interférences des systèmes NB sur UWB
Interférences UWB sur UWB
Références
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Emetteurs I-UWB
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Récepteurs
Problèmes généraux pour récepteurs UWB
Récepteurs I-UWB
Récepteurs MC-UWB
Coexistence avec d’autres systèmes
Interférences UWB sur systèmes NB
Interférences des systèmes NB sur UWB
Interférences UWB sur UWB
Références
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Coexistence avec d’autres systèmes
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Ultra Wide Band
Introduction
Définition
Définition
fh : fréquence haute à -10dB
fl : fréquence basse à -10dB
Largeur de bande fractionnaire (fractional bandwidth) :
FB =
fh − fl
(fh + fl )/2
1ere définition
signal UWB si F B > 20%
2eme définition (fc > 6GHz)
signal UWB si fh − fl > 500 MHz
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Ultra Wide Band
Introduction
Définition
1er type de signal UWB : Impulse UWB (I-UWB)
émission d’impulsions très brèves de durée ∼ 1ns
avec ou sans modulation sur fréquence porteuse
Avantages :
I
peu d’interférences avec autres systèmes UWB
Inconvénients :
I
interférences possibles avec nombreux systèmes Narrow-Band (NB)
I
nécessité de synchronisation très fine
2eme type de signal UWB : Multi-Band UWB (MC-UWB)
émissions simultanées de multiporteuses dans des bandes de largeur > 500MHz
Avantages :
I
possibilité d’éviter certaines bandes
Inconvénients :
I
implémentation plus difficile
I
besoin de FFT très rapide
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Ultra Wide Band
Introduction
Définition
Comparaison de spectres I-UWB et MC-UWB
Spectre d’un signal I-UWB monocyle gaussien
Spectre d’un signal MC-UWB OFDM
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Ultra Wide Band
Introduction
Définition
Principaux intérêts de UWB
I
résolution temporelle très fine
+ grand potentiel pour la localisation (radar)
I
plus grande robustesse en environnement multi-trajet très dense si on sait
exploiter les trajets résolvables
+ moins de fading
I
densité spectrale de puissance très faible
+ coexistence possible avec d’autres systèmes avec peu d’interférences
I
plus grande capacité (au moins sur faibles distances)
I
applications de faibles à très hauts (> 100Mbps) débits
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Ultra Wide Band
Introduction
Définition
Comparaison des capacités UWB/802.11a/Bluetooth
I
EIRP = −41dBm, N0 = −108dBm.
I
Path Loss : n = 2 pour d < 8m, n = 3.3 pour d > 8m.
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Ultra Wide Band
Introduction
Historique et Réglementations
Bref historique de l’UWB
I
1ers systèmes UWB : Marconi (1894-1896)
+ premières transmissions radio par émission d’impulsions très brèves
I
pas de technologie adaptée pour communications radio par UWB
+ évolution des systèmes radio sur fréquence porteuse
+ systèmes par pulse limités au radar
I
1973 : premier brevet de systèmes de télécommunications par UWB
I
1989 : terminologie ”UWB” proposée par le Department of Defense US
I
début 90’s : début de la recherche sur les communications radio I-UWB
I
avril 2002 : spécification du masque de puissance d’émission par la Federal
Communications Commission (FCC) US
+ pas de restriction de la définition de l’UWB à l’I-UWB
+ débats sur les avantages/inconvénients respectifs de I-UWB et
MC-UWB
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Ultra Wide Band
Introduction
Historique et Réglementations
I
début 2006 : dissolution du groupe de recherche IEEE 802.15.3a pour la
standardisation de l’UWB
+ développement de solutions propriétaires
+ OFDM-UWB pressenti pour prochaine génération de Bluetooth,et pour
prochaine norme ETSI
I
février 2006 : proposition du masque d’émission par la Conférence
européenne des postes et télécommunications (CEPT)
I
? : masque d’émission japonais
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Ultra Wide Band
Introduction
Historique et Réglementations
Réglementations
FCC (avril 2002) : accord pour produits UWB sans license
I
pas de bandes spécifiques allouées
I
superposition avec d’autres systèmes existants
3 types d’applications :
I
Radar pour véhicules
I
Imagerie et Surveillance (imagerie médicale, imagerie à travers des
obstacles)
I
systèmes de communications (indoor et outdoor)
Spécification seulement du masque de puissance (densité moyenne de PIRE
(EIRP))
+ pas de schéma de modulation imposé
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Ultra Wide Band
Introduction
Historique et Réglementations
Masques FCC pour systèmes de télécom
Masques télécom
Masque Radar véhicule
Avenir : certaines contraintes éventuellement relachées si pas d’impact des
équipements UWB sur systèmes NB.
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Ultra Wide Band
Introduction
Historique et Réglementations
Masques Europe et Japon pour systèmes de télécom
Masques Europe (CEPT)
Masque Japon
Bande 4.2GHZ-4.8GHz (Europe) : autorisation provisoire de transmettre à
-41.3dBm/MHz sans technique de réduction d’interférence (jusqu’au 31
décembre 2010).
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Ultra Wide Band
Introduction
Applications
Applications
Types d’applications visées :
I
hauts et bas débits
I
faible coût
I
faible puissance
Radar Haute Résolution
I
pulses large bande + nombreuses informations sur la cible (forme,
matériau,...).
I
possibilité d’avoir fréquence centrale faible + pénétrer structures solides.
I
résolution
cτ
avec τ = durée du pulse
2
ex : τ = 100ps + ∆R = 1.5cm
∆R =
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Ultra Wide Band
Introduction
Applications
Imagerie
I
à travers les murs : détection/identification présence de personnes
(respiration, battements de coeur,...).
I
médicale : regarder dans le corps + meilleure que IRM car possibilité de
bouger.
Communications
I
initialement applications militaires
I
remplacement de câbles pour équipements hauts débits (∼ Gbps pour
applis multimédia) + offres commerciales (Motorola, Intel,...)
I
WPAN : connecter différents équipements sur Ø < 10m
ex : IEEE 802.15.3a
110 Mpbs sur 10m
200 Mps sur 4m
480 Mbps < 4m
I
amélioration de Bluetooth pour débits ∼ USB 2.0 (480Mbps)
I
systèmes UWB pour équipements sur vêtements
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Ultra Wide Band
Introduction
Applications
Localisation (Location Aware Communications)
I
réseaux de capteurs
- surveillance et contrôle de processus industriels automatisés
- pas de maintenance pendant des années (utilisation à 0.1%)
I
IEEE 802.15.4a (ZigBee)
- bas débits, faible consommation
- interconnexion d’équipements sans fil
- suivi (tracking) de personnes et d’objets - services proposés aux pompiers
Premiers produits commerciaux
avant l’autorisation de la FCC (2002)
I
Xtrem Spectrum : Trinity (2002). WPAN : remplacement de câbles pour
MPEG2 (Fast Ethernet).
I
Time Domain Corp. : PulsOn (1999, 2002). Transmission voix/vidéos,
tracking, capteurs industriels, sécurité.
I
MSSI : systèmes radars et communications pour applis militaires et civiles.
I
Aether Wire: localisation avec ∆R = 1cm sur plusieurs kms avec réseau
de centaines ou milliers de capteurs.
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Ultra Wide Band
Introduction
Spécificités
Spécificités
Problèmes nouveaux avec UWB, inexistants ou négligeables pour systèmes NB
I
gigue temporelle (timing jitter) + perte de synchro, de données
I
oscillateurs non-idéaux
I
distorsion de l’impulsion dépendante de la fréquence
I
effets des antennes non constants sur l’ensemble de la bande
I
modèles de propagation et de canal de transmission
I
pour MC-UWB : très grand PAPR + les équipements doivent supporter
ce pic de puissance
I
synchronisation extrêmement précise entre émetteur et récepteur
I
technologie DSP : besoin de FPGA et ASICs pouvant fonctionner à
plusieurs dizaines de Gbps + limites actuelles.
ex. : pulse ∼ 250ps, 2 éch./pulse, 6 bits par éch. ⇒ 48Gbps.
Pbs conversion analogique/numérique : BP en entrée du convertisseur leq
bande du signal.
I
WPAN : réseaux auto-organisés, dynamiques. Nouveaux pbs pour couches
MAC.
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Ultra Wide Band
Principes de transmission
Plan du cours
Introduction
Définition
Historique et Réglementations
Applications
Spécificités
Principes de transmission
Emetteurs I-UWB
Forme du pulse
Modulations TH-UWB
Modulations DS-UWB
Emetteurs MC-UWB
Principes généraux
OFDM-UWB
Modélisation du canal
Modèles Large Echelle
Modèles Petite Echelle
Récepteurs
Problèmes généraux pour récepteurs UWB
Récepteurs I-UWB
Récepteurs MC-UWB
Coexistence avec d’autres systèmes
Interférences UWB sur systèmes NB
Interférences des systèmes NB sur UWB
Interférences UWB sur UWB
Références
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Ultra Wide Band
Principes de transmission
Emetteurs I-UWB
Transmissions I-UWB
Formes de l’impulsion
Formes les plus fréquentes : gaussienne et ses dérivées
I
Impulsion gaussienne :
2
p(t) = αe−(t−µ)
/2σ 2
durée du pulse = 2πσ
I
Dérivée première de gaussienne :
p(t) =
I
32k6 −(kt)2
te
π
Dérivée seconde de gaussienne :
p(t) =
32k2
9π
1/4
2
1 − 2(kt)2 e−(kt)
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Ultra Wide Band
Principes de transmission
Emetteurs I-UWB
Impulsions basées sur la gaussienne
Problème
ne rentre pas forcément dans la bande 3.1GHz-10.6GHz (ou autre)
ou n’optimise pas le spectre
Gaussienne modulée sur fréquence centrale fc
p(t) =
8k
π
1/4 1+e
2
2π 2 fc
k
−1/2
2
e−(kt) cos(2πfc t)
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Ultra Wide Band
Principes de transmission
Emetteurs I-UWB
Autre possibilité
p(t) =
M
−1
X
wm pe (t − mT0 )
m=0
pe (t) : impulsion élémentaire de durée T0 (ex. : T0 = 35.7ps ou T0 = 73ps
suivant complexité possible)
wm : coefficients à optimiser pour utiliser au mieux la bande spectrale
Adéquation de différentes formes d’onde au masque spectral
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Ultra Wide Band
Principes de transmission
Emetteurs I-UWB
Deux grands types de modulations pour I-UWB
I
Time-Hopped UWB (TH-UWB) : code (cj )j utilisé dans le décalage
temporel du pulse
I
Direct-Sequence spread-spectrum UWB (DS-UWB) : code (cj )j utilisé
dans l’amplitude du pulse
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Ultra Wide Band
Principes de transmission
Emetteurs I-UWB
TH-UWB
Principe
objectif : émettre une suite de bits (. . . , b0 , b1 , . . . , bk , bk+1 , . . .) (bk = 0/1)au
débit 1/Tb .
méthode : décalages temporels du pulse de “granularité” δ par utilisation d’un
code pseudo-aléatoire (cj )j avec cj entier
1ere étape : répétition de chaque bit Ns fois (redondance par code répéteur)
+ (. . . , b0 , . . . , b0 , b1 , . . . , b1 , . . . , bk , bk+1 , . . .) ≡ (. . . , a0 , a1 , . . . , aj , aj+1 , . . .)
| {z } | {z }
Ns fois
Ns fois
+ séquence binaire (aj )j au débit Ns /Tb ≡ 1/Tf .
Tf : durée de la trame (frame) durant laquelle est émis chaque bit aj à l’aide
d’un pulse de durée Tp Tf
Intérêt de plusieurs pulses par bit
fournir suffisamment d’énergie par bit pour la détection
car 1 pulse → faible puissance (pour satisfaire au masque) → peu d’énergie
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Ultra Wide Band
Principes de transmission
Emetteurs I-UWB
codage
aj ↔ cj ∈ {0, 1, . . . , Nh }
décalage temporel
dj = cj Tc + aj δ =
cj Tc
cj Tc + δ
pour aj = 0
pour aj = 1
avec durée chip Tc et δ tels que
cj Tc + δ < Tf , ∀cj
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Ultra Wide Band
Principes de transmission
Emetteurs I-UWB
Signal modulé transmis
Pulse-Position Modulation (PPM-TH UWB)
s(t) =
Xp
Ep p(t − jTf − dj )
j
Ep : énergie à émettre par pulse.
Pulse-Amplitude Modulation (PAM-TH UWB)
s(t) =
Xp
Ep βj p(t − jTf − cj Tc )
j
avec βj = 1 − 2aj .
+ généralisation possible aux modulations à plusieurs états M-PPM et
M-PAM.
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Ultra Wide Band
Principes de transmission
Emetteurs I-UWB
Exemples
PPM / PAM / OOK
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Ultra Wide Band
Principes de transmission
Emetteurs I-UWB
DS-UWB
Principe
objectif : émettre une suite de bits (. . . , b0 , b1 , . . . , bk , bk+1 , . . .) (bk = 0/1)au
débit 1/Tb .
méthode : utiliser un code binaire d’étalement (cj )j avec cj ∈ {−1, +1},
périodique de période Np (Np = kNs ).
1ere étape : répétition de chaque bit Ns fois (redondance par code répéteur)
+ (. . . , b0 , . . . , b0 , b1 , . . . , b1 , . . . , bk , bk+1 , . . .) ≡ (. . . , a∗0 , a∗1 , . . . , a∗j , a∗j+1 , . . .)
| {z } | {z }
Ns fois
Ns fois
Nouvelle séquence :
aj = 2a∗j − 1 ∈ {−1, +1}
+ séquence binaire (aj )j au débit Ns /Tb ≡ 1/Tf .
Tf : durée de la trame (frame) durant laquelle est émis chaque bit aj à l’aide
d’un pulse de durée Tp Tf .
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Ultra Wide Band
Principes de transmission
Emetteurs I-UWB
Signal modulé transmis (1 pulse par trame)
s(t)
=
Xp
Ep aj cj p(t − jTf )
=
Xp
Ep dj p(t − jTf )
j
j
remarque : pour DS-SS “classique”, p(t) rectangulaire sur [0; Tf ].
Alternative (Nh pulses par trame) : code (cj )j=0,...,Nh
s(t)
=
Nh −1
Xp
X
ci p(t − jTf − iTc )
Ep aj
=
h −1
X p NX
Ep
dj p(t − jTf − iTc )
j
j
i=0
i=0
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Ultra Wide Band
Principes de transmission
Emetteurs MC-UWB
Principes généraux
Méthode
I
1 flot de données → découpé en plusieurs sous-flots transmis en parallèle
sur différentes sous-bandes de largeur & 500MHz
I
sous-porteuses modulées à des débits plus faibles pour minimiser l’ISI.
I
trains de pulses UWB et sous-canaux orthogonaux + grande efficacité
spectrale, hauts débits.
Avantages de MC-UWB
I
meilleure résolution temporelle + meilleures performances sur canaux
multi-trajets
I
meilleure utilisation du spectre + débits plus grands
I
permet d’éviter certaines sous-bandes
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Ultra Wide Band
Principes de transmission
Emetteurs MC-UWB
Forme générale du signal
s(t) = β
−1
XN
X
j
bjn p(t − jTp )e2iπnfp (t−jTp )
n=0
avec :
I
β fixe la valeur de la puissance émise
I
bjn symbole transmis sur la neme sous-porteuse durant le j eme intervalle
I
fp = 1/Tp
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Ultra Wide Band
Principes de transmission
Emetteurs MC-UWB
OFDM-UWB (Multiband-OFDM)
Différence avec OFDM “classique” :
forme d’onde p(t) non-constante sur [0; Tp ]
p(t) =
N
X
−2jπc(n) Tt
s(t − nT )e
c
n=1
avec
I
s(t) : pulse élémentaire de durée Ts < T
I
p(t) : pulse modulé de durée Tp = N T
I
c(n) : séquence de Frequency-Hopping (permutation de {1, . . . , N })
I
s(t − nT ) : modulé à la fréquence fn =
c(n)
Tc
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Ultra Wide Band
Principes de transmission
Emetteurs MC-UWB
Exemple de mise en forme FH-OFDM UWB avec N = 4.
Spécificités de MB-OFDM par rapport à OFDM :
I
redondance en temps
I
redondance en fréquences
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Ultra Wide Band
Principes de transmission
Emetteurs MC-UWB
Multi-Band OFDM pour IEEE 802.15.3a
I
14 sous-bandes de 528MHz
I
128 sous-porteuses par sous-bande, espacées de 4.125MHz
- 100 pour les données, modulées en QPSK
- 12 tons pilotes pour le suivi de phase/porteuse
- 10 tons de garde aux extrêmités
- 6 tons nuls
I
préfixe cyclique de 60.61ns pour chaque saut
I
intervalle de garde de 9.47ns (pour passer d’une bande à l’autre)
Plan de bandes pour FH-OFDM UWB.
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Ultra Wide Band
Principes de transmission
Emetteurs MC-UWB
Mapping des sous-porteuses pour
MB-OFDM.
Frequency-Hopping dans la 1ere
sous-bande.
34/ 108
Ultra Wide Band
Principes de transmission
Emetteurs MC-UWB
Débit binaire MB-OFDM
R=
NSC
m·r
Ts + TCP + TGI SF
I
NSC : nb de sous-porteuses de données (ex. : NSC = 100)
I
Ts = 1/∆f : durée symbole utile (ex. : Ts = 1/(4.125MHz))
I
TCP : durée du préfixe cyclique (ex. : TCP = 60.61)
I
TGI : durée de l’intervalle de garde (ex. : TGI = 9.47)
I
m : nb de bits par symbole
I
r : taux de codage
I
SF : gain d’étalement (= SFtemporel × SFfrequentiel )
Exemples de débits pour MB-OFDM.
Débit R
55Mbps
110Mbps
200Mbps
480Mbps
r
11/32
11/32
5/8
3/4
Time SF
2
2
2
1
Frequency SF
O
N
N
N
SF total
4
2
2
1
bits/symbole OFDM
100
200
200
200
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Plan du cours
Introduction
Définition
Historique et Réglementations
Applications
Spécificités
Principes de transmission
Emetteurs I-UWB
Forme du pulse
Modulations TH-UWB
Modulations DS-UWB
Emetteurs MC-UWB
Principes généraux
OFDM-UWB
Modélisation du canal
Modèles Large Echelle
Modèles Petite Echelle
Récepteurs
Problèmes généraux pour récepteurs UWB
Récepteurs I-UWB
Récepteurs MC-UWB
Coexistence avec d’autres systèmes
Interférences UWB sur systèmes NB
Interférences des systèmes NB sur UWB
Interférences UWB sur UWB
Références
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Large Echelle
Canal de Propagation
Ce qui est différent avec UWB...
I
canaux NB : coefficients du canal et effets de propagation (y compris
antennes) constants sur toute la largeur de bande.
I
valable pour FB≤ 0.01, mais pas pour UWB.
I
canaux NB multi-trajet : signal reçu = somme de copies du signal émis,
atténuées, retardées, déphasées (→ distorsion fréquentielle du signal
global).
I
UWB : chaque composante subit sa propre distorsion fréqentielle.
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Large Echelle
Propagation à Larges Echelles
Formule de Friis
I
signaux NB : Path Loss (à peu près) constant sur toute la bande
I
signaux UWB : Path Loss peut varier sur la bande.
Path Loss en espace libre
Puissance reçue :
Pr =
EIRP
Pt Gt
Ar =
Ar
4πr2
4πr2
avec
Ar = ouverture effective de l’antenne réceptrice =
λ2
Gr
4π
Pt Gt Gr λ2
(4πr)2
2
4πr
PL =
λ
Pr =
+ PL a priori fonction de λ (pour antennes à gain constant).
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Large Echelle
Antenne d’émission à ouverture constante
EIRP = Pt
+
Pr = Pt
+
I
4πAt
λ2
At Ar
(λr)2
PL ∝ (λr)2
Tx gain constant / Rx ouverture constante
Pr = Pt Gt
I
Ar
4πr2
Tx ouverture constante / Rx gain constant
Pr = Pt At
Gr
4πr2
+ PL indépendant de λ dans les 2 cas.
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Large Echelle
Pulses reçus à différentes distances pour un même pulse émis
Pulse émis : gaussien ∼ 200ps / Pulses reçus normalisés pour éliminer le
facteur 1/r2
Antenne Bicone
Antenne Corne
Bilan
Pour une même antenne, toujours le même pulse reçu.
+ distorsions seulement dues aux antennes elles-mêmes.
+ PL indépendant de λ.
r 2
0
PL(r) = PL0
r
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Large Echelle
Path Loss en espace non-libre
PL moyen
PL(r) = PL0
r n
0
r
Question : n dépend-il de λ ? + pas de consensus.
n mesuré pour différentes antennes, f ∈[1GHz-10GHz], r ≤ 10m
Question : que se passe-t-il pour r > 10m ?
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Large Echelle
Modèles de Path Loss dépendant de f
H(fe) : fonction de transfert mesurée du canal
"Z
∆
PL(f ) = E
f+ 2
f− ∆
2
#
|H(fe)| dfe
2
→ pas de prise en compte des antennes.
Différents modèles
I
PL(f ) ∝ f −2k , k ∈ [0.8; 1.4]
I
log10 PL(f ) ∝ e−δf
δ = 1 pour LOS, δ = 1.36 pour NLOS.
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Large Echelle
Propagation meilleure qu’en espace libre ?
Mesures du Path Loss et Shadowing en bureau/résidence indoor
+ existence de valeurs de n inférieures à 2.
Pourquoi ? + le signal mesuré ne contient pas que le trajet LOS, mais on a
collecté de l’énergie sur d’autres trajets.
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Large Echelle
Modèles de Path Loss dépendant du récepteur
Difficulté particulière en UWB : récupérer toute l’énergie disponible
+
modèles de PL fonction de la quantité d’énergie collectée
+
dépendent du type récepteur
+
pas forcément applicable à tous récepteurs.
Exemple : Peak Path Loss
ne considère que la composante multi-trajet la plus puissante
+ meilleure représentation du PL pour les récepteurs capables de ne récupérer
qu’une partie de l’énergie du signal
+ exposant du PL plus grand
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Large Echelle
Path Loss total
Peak Path Loss
Alternative
considérer le Path Loss total et définir un facteur de captation de l’énergie
approprié à l’architecture du récepteur
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Large Echelle
Shadowing
Comme pour systèmes NB, shadowing en UWB ∼ N (0, σL2 ) (en dB)
Valeurs typiques pour σL : entre 1.5dB et 4dB
CDFs mesurées et théoriques du Shadowing pour LOS et NLOS
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Large Echelle
Ex. de Path Loss aléatoire (avec Shadowing) : IEEE 802.15.4
PL(r) = PL0 + 10µn log10
r
r
+ 10σn X1 log10
+ X2 µσ + X2 X3 σσ
r0
r0
avec :
I
PL0 : Path Loss moyen à la distance r0
I
µn , σn : moyenne et variance de l’exposant du PL n
I
µσ , σσ : moyenne et variance de σL
I
X1 , X2 , X3 ∼ N (0, 1)
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Large Echelle
Bilan de Liaison
Objectif (cas général) :
Déterminer la portée du système, i.e. distance maximale permettant d’obtenir
une puissance reçue minimale
Pr = Pt + Gt + Gr − PL − Pertes − Marge
+ détermination de Eb /N0 d’après :
Eb ≈ Pr ×
durée du symbole
nb de bits par symbole
Marge :
I
déterminée grâce au shadowing
I
garantit que Eb /N0 obtenu dans toute la zone couverte avec une certaine
probabilité
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Large Echelle
Pour UWB :
I
Pic de puissance puissance moyenne + Eb 6= Puissance moyenne ×
Durée symbole / nb de bits
+ puissance moyenne pas unique paramètre à considérer
I
gains des antennes pas nécessairement constants sur tout la largeur de
bande
I
ouvertures des antennes pas nécessairement constants sur tout la largeur
de bande
I
fading éventuellement moins fort en UWB + marge réduite
Solution Possible
1. éliminer Gt et Gr du bilan
+ remplacer par GAP (Antenna-Pulse coupling gain), fonction du pulse
utilisé et de l’ouverture de l’antenne Rx
+ “gain” éventuellement négatif !
2. Path Loss ↔ propagation “pure” :
PL = 4πr2
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Large Echelle
ρ : fraction de l’énergie capturée par le récepteur (20% ↔ -7dB)
Propagation en espace non-libre
remplacer n = 2 par n > 2
PL = 4πrn
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Petite Echelle
Modélisation du canal aux Petites Echelles
Pour UWB
large échelle ↔ d 1m
petite échelle ↔ d < 1m
Modèle “classique”
h(t) =
K
X
αk δ(t − τk )
k=0
Particularité de UWB :
τk ∝
1
∼ 1ns
W
+ résolution très fine
+ grand nombre de multi-trajets
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Petite Echelle
Formes d’ondes émise et reçu. (a)
Tp = 91ns ; (b) Tp = 0.55ns
Ex. de réponse impulsionnelle pour
canal NLOS IEEE802.15.3
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Petite Echelle
Modèle de Saleh-Valenzuela
Modèle par clusters : les composantes arrivent par paquets (clusters) aléatoires
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Petite Echelle
Réponse impulsionnelle :
h(t) =
L X
K
X
βk,l δ(t − Tl − τk,l )
l=0 k=0
I
L : nb de trajets par clusters
I
K : nb de clusters
I
Tl : instant d’arrivée du leme cluster
Modélisation Poissonienne des arrivées des clusters :
f (Tl |Tl−1 ) = Λe−Λ(Tl −Tl−1 )
Λ : taux moyen d’arrivée. Modélisation Poissonienne des arrivées des trajets
dans un cluster :
f (τk,l |τk−1,l ) = λe−Λ(τk,l −τk−1,l )
λ : taux moyen d’arrivée.
Puissance moyenne : décroissance exponentielle sur les clusters et les trajets
|βk,l |2 = |β0,0 |2 e−Tl /Γ e−τk,l /γ
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Petite Echelle
Distribution des amplitudes βk,l
Rayleigh ? pas forcément adapté à UWB car moins de trajets non-résolvables
+ loi de Nakagami ou log-Normale
Modélisation log-normale
βk,l = pk,l 10(µk,l +Xσ,k,l )/20
avec
I
pk,l = ±1 équiprobables (polarité)
I
Xσ,k,l ∼ N (0, σ 2 ) (σ en dB)
I
µk,l =
20 ln |β0,0 | − 10Tl /Γ − 10τk,l /γ
σ 2 ln 10
−
ln 10
20
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Petite Echelle
Exemple de paramètres de canal Saleh-Valenzuela UWB
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Petite Echelle
Modèle de Poisson modifié pour canal LOS
observation : pour canaux LOS, premières composantes beaucoup plus
énergétiques que les dernières
I
Première composante (LOS) : τ0 = 0, p0 = +1
I
Autres composantes fortes
M = nb de composantes dominantes ∼ Unif. Réparti sur{2, 3, 4}
f (τk |τk−1 ) = λ1 e−λ1 (τk −τk−1 ) , 0 < k < M
pk = ±1 avec équiprobabilité, |βk | ∼loi-normale
I
Composantes faibles
f (τk |τk−1 ) = λ2 e−λ2 (τk −τk−1 ) , k ≥ M
1ere composante faible + énergie W dB sous l’énergie moyenne des
composantes fortes
puis décroissance exponentielle
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Petite Echelle
Modèle Split-Poisson
UWB sur distances très faible + éventuellement très peu de clusters
+ 2 clusters de paramètres (λi , σi , γi )i=1,2 avec second cluster décalé et
atténué d’un facteur α par rapport au premier.
Illustration du modèle Split-Poisson
Illustration des deux clusters
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Petite Echelle
Modèle ∆ − K
Idée : proba pour qu’un trajet arrive avec un retard τ multipliée par un facteur
K si trajet arrivé sur les ∆ dernières secondes.
+ favorise la formation de clusters.
+ instants d’arrivée ∼ processus de Poisson à 2 états
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Petite Echelle
Loi des amplitudes
Valeurs moyennes + Poewer Delay Profile (décroissance exponentielle)
Variations locales : loi Rayleigh/log-Normale/Weibull/Nakagami
UWB : moins de trajets non-résolvables + s’additionne moins pour former une
amplitude de Rayleigh.
+ lois d’amplitudes plus “piquées”
+ fading moins fort
I
Rayleigh : pour les derniers trajets (plus nombreux)
I
Nakagami
f (x) =
2
2mm x2m−1 − mx
e Ω , x≥0
m
Γ(m)Ω
m ≥ 1/2 et Ω ≥ 0. m > 1 + loi de Rice avec facteur de Rice
√
m2 − m
√
K=
m − m2 − m
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Petite Echelle
CDF de l’amplitude pour différents délais en excès
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Petite Echelle
Energie capturée
I
critère important à prendre en compte dans le choix du modèle (surtout si
récepteur de type Rake)
I
dépend du type de canal (LOS/NLOS) et du type d’antenne
Energie capturée en fonction du nb
de doigts du Rake pour différentes
antennes
Energie capturée mesurée et
modélisée
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Petite Echelle
Effet des distorsions fréquentielles
UWB : chaque composante multi-trajet subit une distorsion fréquentielle (car
les effets dus aux obstacles varient sur toute la largeur de bande)
r(t) =
K
X
αk s(t − τk ) remplacé par r(t) =
k=0
h(t) =
K
X
K
X
αk sk (t − τk )
k=0
αk δ(t − τk ) remplacée par h(t) =
k=0
K
X
αk hk (t − τk )
k=0
Solutions possibles :
1. chercher à estimer hk (t) + difficulté de connaı̂tre précisément l’effet des
antennes sur la distorsion (découplage antennes/environnement difficile).
2. distorsion sur chaque trajet ↔ filtre RIF
hk (t) =
Lk
X
γk δ(t − τek,l )
l=0
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Petite Echelle
Modélisation Spatiale
Attrait de UWB par rapport à NB
pulses très brefs interagissant peu entre eux, moins de trajets non-résolvables
+ diminution du phénomène de fading
+ intérêt de la diversité spatiale ?
Fading spatial
Variation de la puissance du signal sur une petite surface.
Energie reçue à la position (i, j) d’un lieu l :
Z T
2
l
εli,j =
ri,j (t) dt
0
Fade local (en dB) :
l
Fi,j
= 10 log10 εli,j − 10 log10 εref
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Petite Echelle
CDF de l’énergie reçue en 6 lieux, mesurée sur une grille de 49 pts sur
1m2
+ énergie capturée ∼ constante sur la grille
+ très peu de fading local
+ mécanismes de diversité nécessaires ?
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Petite Echelle
Fading local avec énergie partielle
UWB : peu d’énergie capturée
+ variation de l’énergie avec peu de doigts utilisés (en particulier, seule la
composante principale) ?
CDF de l’énergie reçue avec 1 seul
doigt du Rake
CDF de l’énergie reçue en fonction
du nb de doigts du Rake
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Petite Echelle
Corrélation spatiale
+ pour connaı̂tre l’intérêt de technique MIMO
a priori : faible fading spatial ↔ corrélation forte ?
Signal reçu en 3 positions alignés par rapport au Tx - canal LOS
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Ultra Wide Band
Modélisation du canal
Modèles Petite Echelle
Corrélation entre signaux reçus mesurée avec différentes durées
Bilan
I
captation que du début du signal + diversité peu efficace
I
captation de la globalité du signal + diversité plus intéressante
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Ultra Wide Band
Récepteurs
Plan du cours
Introduction
Définition
Historique et Réglementations
Applications
Spécificités
Principes de transmission
Emetteurs I-UWB
Forme du pulse
Modulations TH-UWB
Modulations DS-UWB
Emetteurs MC-UWB
Principes généraux
OFDM-UWB
Modélisation du canal
Modèles Large Echelle
Modèles Petite Echelle
Récepteurs
Problèmes généraux pour récepteurs UWB
Récepteurs I-UWB
Récepteurs MC-UWB
Coexistence avec d’autres systèmes
Interférences UWB sur systèmes NB
Interférences des systèmes NB sur UWB
Interférences UWB sur UWB
Références
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Ultra Wide Band
Récepteurs
Problèmes généraux pour récepteurs UWB
RECEPTEURS UWB
Problèmes pour les récepteurs UWB
I
résolution ultra-fine + pbs de synchronisation
I
énergie très dispersée + besoin d’un gd nb de doigts
ex. 1 système indoor, delay-spread= 10ns, W = 7.26GHz
+ nb de trajets = bW τs c = 72
ex. 2 système indoor, delay-spread= 1µs, W = 7.26GHz
+ nb de trajets = bW τs c ≈ 7000!
I
estimation du canal (pour récepteur type Rake) car Eb /N0 faible
I
distorsion du pulse pour chacun des trajets
I
pbs d’implémentation (circuits) + méthodes analogiques/numériques ou
totalement analogiques
I
synchronisation : décalages temporels + dégradation des perfs pour tous
détecteurs basés sur corrélations (en particulier pour modulations PPM)
I
interférence inter-canaux sur canaux multi-trajets : les sous porteuses
reçues ne sont plus orthogonales
I
PAPR très élevé
70/ 108
Ultra Wide Band
Récepteurs
Récepteurs I-UWB
Détecteurs à seuil
+ détecteur les plus simples pour I-UWB
Principe : niveau du pulse reçu > seuil + détection
Pb : nombreuses fausses alarmes dues à des pics de bruit ou aux interférences
+ adaptation permanente du seuil de détection par mesure en continu du
niveau de bruit reçu.
Inconvénients :
I
ne considère que des pulses isolés + pas d’énergie récoltée globalement
sur l’ensemble des composantes.
I
sensible au bruit et aux interférences.
71/ 108
Ultra Wide Band
Récepteurs
Récepteurs I-UWB
Récepteurs optimaux
Modèle de canal :
h(t) =
K
X
αk δ(t − τk )
k=0
Signal reçu pour 2-PAM (aj = ±1 ):
r(t) =
K
XX
j
αk aj p(t − jTs − τk ) + n(t)
k=0
Signal reçu pour 2-PPM (aj = 0/1 ):
r(t) =
K
XX
j
αk p(t − jTs − aj δ − τk ) + n(t)
k=0
Hypothèses :
I
durée symbole delay-spread + pas d’ISI
I
canal parfaitement connu
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Ultra Wide Band
Récepteurs
Récepteurs I-UWB
Récepteur optimal 2-PAM : détection du j eme bit
Z
(j+1)Ts
r(t)y(t − jTs )dt
b
aj = sign(zj ) avec zj =
jTs
où
y(t) =
K
X
αk p(t − τk )
k=0
Probabilité d’erreur :
v

u
u
u 2Ep 
BER = Q t
1+
N0
K
X
i,j=0/i6=j
I
Ep énergie transmise par pulse (normalisé)
I
R(τ ) fonction d’autocorrélation du pulse
P 2
k αk = 1
I


αi αj R(τi − τj )
73/ 108
Ultra Wide Band
Récepteurs
Récepteurs I-UWB
Récepteur optimal 2-PPM : détection du j eme bit
b
aj =
sign(zj ) + 1
2
Z
(j+1)Ts
r(t)y(t − jTs )dt
avec zj =
jTs
où
y(t) =
K
X
αk (p(t − τk ) − p(t − τk − δ))
k=0
Probabilité d’erreur :

v
u
K
u Ep X
t
αi αj (R(τi − τj ) − R(τi − τj − δ))
BER = Q 
N0 i,j=0
Limites des récepteurs optimaux
I
perfs essentiellement théoriques (trop de connaissances a priori)
I
références (bornes inférieures) pour comparer d’autres détecteurs
74/ 108
Ultra Wide Band
Récepteurs
Récepteurs I-UWB
Récepteurs RAKE
Récepteur All-Rake
+ utilise tous les trajets
+ identique au détecteur par corrélateurs (optimal)
Problème : estimation du canal
I
rapport Eb /N0 très faible (∝ 1/W )
I
si canal varie rapidement
I
estimation trop côuteuse
+ détecteurs Rake non-cohérents avec signaux orthogonaux et technique
“square-law”
75/ 108
Ultra Wide Band
Récepteurs
Récepteurs I-UWB
Récepteurs Selected-Rake
+ sélection des D doigts les plus puissants (τdi )i=1,...,D .
Pour PAM :
!
r
2Ep ∆2
BER = Q
N0 σ
e2
avec
∆
=
D
X
αd2i +
i=1
f2
σ
=
D
X
D X
K
X
αk αdi R(τk − τdi )
i=1 k=0
αdi αdj R(τdj − τdi )
i,j=1
76/ 108
Ultra Wide Band
Récepteurs
Récepteurs I-UWB
Performances du Rake en fonction
du nb de doigts - estimation
parfaite du canal
Performances du Rake en fonction
du nb de doigts - estimation
imparfaite du canal
77/ 108
Ultra Wide Band
Récepteurs
Récepteurs I-UWB
Bilan des détecteurs par corrélateurs
Avantages :
I
optimaux ou quasi-optimaux
I
faisables en circuits analogiques ou numériques
I
banc de corrélateurs
Inconvénients :
I
corrélations imparfaites car distorsion du pulse
+
+
égaliseurs adaptatifs
faire des FA avec séries de forme d’onde, mais
augmentation de la complexité
I
pbs de synchronisation entre signal reçu et forme d’onde
I
SNR diminue si le corrélateur ne peut pas capturer toute l’énergie
78/ 108
Ultra Wide Band
Récepteurs
Récepteurs I-UWB
Récepteur par filtre adapté “simple”
+ corrélation avec le pulse lui-même (sans passage dans le canal)
2-PAM :
Z
b
aj = sign(zj ) avec zj =
v
u
2Ep
u
BER = Q t
N0
(j+1)Ts
r(t)p(t − jTs )dt
jTs
K
X
!2
αk R(τk )



k=0
Problèmes :
I
τk > Tp ⇒ R(τk ) = 0 + énergie apportée par le keme trajet perdue
I
diminution du BER quand le nb de k|τk > Tp augmente
I
+ récepteur sous-optimal
79/ 108
Ultra Wide Band
Récepteurs
Récepteurs I-UWB
2-PPM :
b
aj =
sign(zj ) + 1
2
(j+1)Ts
Z
r(t) (p(t − jTs ) − p(t − jTs − δ)) dt
avec zj =
jTs
BER =
−u 1 u0 1
Q
+Q
2
σ
σ
avec :
u0
=
Ep
K
X
αk (R(τk ) − R(τk − δ))
k=0
u1
=
Ep
K
X
αk (R(τk + δ) − R(τk ))
k=0
σ
=
N0 Ep (1 − R(δ))
Problèmes : idem que 2-PAM.
80/ 108
Ultra Wide Band
Récepteurs
Récepteurs I-UWB
Récepteurs par corrélations et pilotes
+ utilisation de N signaux pilotes ri (t), i = 1, . . . , N
avec (PAM)
K
X
ri (t) =
αk p(t − τk ) + ni (t)
k=0
Moyenne des signaux reçus :
yb(t) =
N
1 X
ri (t) = y(t) + n(t)
N i=1
Détection du j eme bit (2-PAM)
Z
b
aj = sign(zj ) avec zj =
(j+1)Ts
r(t)b
y (t − jTs )dt
jTs
+ même approche possible pour autres modulations.
81/ 108
Ultra Wide Band
Récepteurs
Récepteurs I-UWB
Performances pour 2-PAM en
fonction du nb de pilotes
Performances pour autres
modulations
82/ 108
Ultra Wide Band
Récepteurs
Récepteurs I-UWB
Récepteurs RAKE avec pilotes
Hypothèses :
I
coefficients du canal inconnus
I
délais τdi des D trajets les plus forts connus
Estimation du coefficients αdi à l’aide de N signaux pilotes :
X
α
bdi = αdi +
R(τdi − τj ) + ndi , α
edi + ndi
j6=di
+ utilisation de α
bdi à la place de αdi dans le détecteur Selected-Rake.
+ dégradation des performances
- faible si grand nb de pilotes
- forte si peu de pilotes
83/ 108
Ultra Wide Band
Récepteurs
Récepteurs I-UWB
Performances du Rake avec 25
doigts et 50 pilotes
Performances du Rake avec 50
doigts et 250 pilotes
84/ 108
Ultra Wide Band
Récepteurs
Récepteurs I-UWB
Récepteur pour système Transmitted Reference
Principe : transmission d’une paire de signaux, l’un non-modulé, l’autre modulé
+ le premier sert à démodulé le second.
Avantages :
I
pas d’estimation de canal
I
captation de la totalité de l’énergie
I
plus robustes aux problèmes de synchronisation
Inconvénients :
I
canal variant dans le temps
I
utilisation d’un signal bruité comme forme d’onde pour la démodulation
Ex. : modulation 2-PPM (Np /2 pulses modulés/non-modulés par bit)
Np /2−1
sj (t) =
X
p
Ep (p(t − 2iTf ) + p(t − (2i + 1)Tf − εj,i δ)) , j = 0, 1
i=0
bit 0
bit 1
sj (t) = s0 (t)
sj (t) = s1 (t)
avec ε0,i = i [2]
avec ε1,i = 1 − ε0,i
85/ 108
Ultra Wide Band
Récepteurs
Récepteurs I-UWB
Signal reçu après canal et filtrage passe-bande en réception :
Np /2−1
r(t) =
X p
Ep (g(t − 2iTf ) + g(t − (2i + 1)Tf − εj,i δ)) + n(t)
i=0
Moyenne des signaux (non-modulés) sur les intervalles [2iTf ; (2i + 1)Tf ] :
Np /2−1
gb(t) =
p
Ep g(t) +
X
n(t − 2iTf )
i=0
Puis corrélation avec gb(t) :
Z
zj,i =
Td
r(t + (2i + 1)Tf + εj,i δ)b
g (t)dt
0
avec 0 ≤ Td ≤ τmax + Tp (Td % + énergie et bruit %).
Décision :
Np /2−1
X
Z=
(z0,i − z1,i ) ≷ 0
i=0
86/ 108
Ultra Wide Band
Récepteurs
Récepteurs I-UWB
Comparaison récepteurs TR et RAKE
Performances du récepteur TR en
fonction de Td .
Performances du Rake en fonction
du nb de doigts.
+ performances de TR limitées par termes de bruit (en particulier terme
bruit-sur-bruit dans gb(t)n(t)).
87/ 108
Ultra Wide Band
Récepteurs
Récepteurs I-UWB
Synchronisation
Effet cumulatif d’erreur de synchronisation.
I
peu de travaux publiés (solutions propriétaires)
I
une solution : transmission d’un long flot de pulses régulièrement espacés
jusqu’à synchronisation.
88/ 108
Ultra Wide Band
Récepteurs
Récepteurs MC-UWB
Récepteurs MC-UWB
Modèle de canal :
h(t) =
K
X
αk δ(t − τk )
k=0
Forme générale du signal reçu :
s(t) = β
−1 L−1
XN
X
X
j
bjn αl p(t − jTp − τl )e2iπnfp (t−jTp −τl )
n=0 l=0
avec :
I
β fixe la valeur de la puissance émise
I
bjn symbole transmis sur la neme sous-porteuse durant le j eme intervalle
I
fp = 1/Tp
89/ 108
Ultra Wide Band
Récepteurs
Récepteurs MC-UWB
Détection du symbole sur la meme sous-porteuse
+ filtre adapté à p(t)e2iπmfp t .
Pour le symbole j = 0 :
Z
rm (t) = r(u)p∗ (t − u)e−2iπmfp (t−u) du
Puis échantillonnage aux instants ti :
rm (ti )
=
b0m
β
L−1
X
!
2iπmfp (ti −τl )
αl e
X(ti − τl , 0)
l=0
+
X
n6=m
b0n
β
L−1
X
!
αl e
2iπnfp (ti −τl )
X(ti − τl , (m − n)fp )
+ wm (ti )
l=0
Objectif : séparer les contributions de chaque sous-porteuse et les combiner de
façon optimale pour la détection.
Récepteur optimal : Multi-Channel Maximum Likelihood (MCML) detector
+ maximisation de la vraisemblance sur l’ensemble des sous-canaux + très
grande complexité, et besoin de l’estimation parfaite du canal + irréalisable en
pratique + récepteurs sous-optimaux
90/ 108
Ultra Wide Band
Coexistence avec d’autres systèmes
Plan du cours
Introduction
Définition
Historique et Réglementations
Applications
Spécificités
Principes de transmission
Emetteurs I-UWB
Forme du pulse
Modulations TH-UWB
Modulations DS-UWB
Emetteurs MC-UWB
Principes généraux
OFDM-UWB
Modélisation du canal
Modèles Large Echelle
Modèles Petite Echelle
Récepteurs
Problèmes généraux pour récepteurs UWB
Récepteurs I-UWB
Récepteurs MC-UWB
Coexistence avec d’autres systèmes
Interférences UWB sur systèmes NB
Interférences des systèmes NB sur UWB
Interférences UWB sur UWB
Références
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Ultra Wide Band
Coexistence avec d’autres systèmes
Interférences UWB sur systèmes NB
Coexistence de UWB sur systèmes Narrow-Band
Introduction
Masque de puissance + interférences de UWB avec autres systèmes NB et
UWB avec ou sans license.
Systèmes critiques : GPS, navigation, systèmes cellulaires
Mesures + GPS et systèmes radar éventuellement perturbés par systèmes
UWB si Pulse Repetition Frequency (PRF) élevée
Paramètres importants pour mesurer le niveau d’interférences :
I
PRF
I
duty cycle
I
formes d’onde
I
nb et distributions des interféreurs
I
puissances des interféreurs
I
modulations
92/ 108
Ultra Wide Band
Coexistence avec d’autres systèmes
Interférences UWB sur systèmes NB
Interférences de UWB sur NB
Forme générale :
r(t) = snb (t) + iuwb (t) + n(t)
I
snb (t) : signal NB
I
iuwb (t) : interférences UWB
I
n(t) : bruit
Spectre de UWB ∼ plat sur la bande NB
+ interférences UWB vues en première approximation comme une
augmentation du niveau de bruit de Pr BNB /BUWB .
ex. 1 : BNB = 20MHz, BUWB = 500MHz + BNB /BUWB = 0.04
ex. 2 : BNB = 200kHz, BUWB = 500MHz + BNB /BUWB = 0.0004
93/ 108
Ultra Wide Band
Coexistence avec d’autres systèmes
Interférences UWB sur systèmes NB
Influence sur les performances
snb (t) : signal BPSK
BER =
1
Q
2
r
2Eb
(1 + δ)
N0
avec
r
δ=
!
+
1
Q
2
r
2Eb
(1 − δ)
N0
!
Ep
P (fc )s(ε)
Eb
fc : fréquence porteuse du système NB, ε : offset
BER d’une modulation BPSK avec interférence UWB
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Ultra Wide Band
Coexistence avec d’autres systèmes
Interférences UWB sur systèmes NB
E
Augmentation du SNR pour maintenir le BER (δ ≈ 5.8 10−3 Epb )
+ augmentation du SNR de 3dB ⇒
Ep
Eb
≈ 3300
Interprétation : forte perte d’énergie du signal UWB par filtrage de réception
(SRRCF)
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Ultra Wide Band
Coexistence avec d’autres systèmes
Interférences UWB sur systèmes NB
BER en présence de 1 et de 10 interféreurs
+ dégradation des performances seulement si pulses de très forte énergie
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Ultra Wide Band
Coexistence avec d’autres systèmes
Interférences UWB sur systèmes NB
Modélisation de la puissance d’interférence
Puissance reçue
I
émetteurs UWB uniformément répartis autour du récepteur, entre Rmin et
Rmax .
I
ρ : densité moyenne des émetteurs
I
modèle de Path Loss
PR = P0
d0
d
β
Puissance moyenne reçue :
lim
Rmax →+∞
E[PR ]
=
=
β
d0
P0
Rmin
|
{z
}
puissance reçue d’un émetteur
à la distance Rmin
β
2
d0
2πRmin
ρ
P0
β−2
Rmin
|
{z
}
2
2πRmin
ρ
β−2
| {z }
aggrégation de tous les émetteurs
e0
P
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Ultra Wide Band
Coexistence avec d’autres systèmes
Interférences UWB sur systèmes NB
BER en fonction de la densité d’interféreurs
ρ = 10−k , k = 1, . . . , 6 (k = 6 + 1 interféreur par km2 )
I
densité faible + peu de dégradation
I
Rmin augmente + réduction des interférences
98/ 108
Ultra Wide Band
Coexistence avec d’autres systèmes
Interférences des systèmes NB sur UWB
Interférences de NB sur UWB
1 signal UWB + interférences dues à de nombreux systèmes NB.
Forme générale :
r(t) = suwb (t) + iNB (t) + n(t)
I
suwb (t) : signal NB
I
inb (t) : interférences UWB
I
n(t) : bruit
Ex. : modulation TH-PAM avec Np pulses par bit
s
BER = Q
N SNRp
P p
1 + l SNRl |P (fl )|2
I
SNRp : SNR par pulse
I
SNRl : SNR pour chaque interféreur
!
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Ultra Wide Band
Coexistence avec d’autres systèmes
Interférences des systèmes NB sur UWB
BER pour différentes valeurs de Np
I
rapport interférence-à-bruit global constant (10dB)
I
écart de 1dB par rapport aux perfs sans interférence
I
bonne résistance aux interférences
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Ultra Wide Band
Coexistence avec d’autres systèmes
Interférences des systèmes NB sur UWB
Performances pour TH-UWB et DS-UWB différentes valeurs de Np
(◦ : 1 / + : 2 / : 4 / pentagramme : 8 / hexagramme : 16)
trait plein : TH-UWB / tirets : DS-UWB
interféreur : 2 sinusoı̈des pures en 400mHz et 600MHz
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Ultra Wide Band
Coexistence avec d’autres systèmes
Interférences des systèmes NB sur UWB
I
DS-UWB très proche de l’optimal pour Np suffisamment grand
I
TH-UWB moins robustes aux interférences
Interprétation :
I
pour TH-UWB, changement de la phase de l’interféreur NB à chaque pulse
+ étalement de la bande de l’interféreur + impact sur UWB
I
pour DS-UWB, changement de la phase de l’interféreur NB à chaque bit
seulement + pas d’étalement
102/ 108
Ultra Wide Band
Coexistence avec d’autres systèmes
Interférences des systèmes NB sur UWB
Performances pour TH-UWB et DS-UWB différentes valeurs de Np
(◦ : 1 / + : 2 / : 4 / pentagramme : 8 / hexagramme : 16)
trait plein : TH-UWB / tirets : DS-UWB
interféreur : signal BPSK à 50kbps
103/ 108
Ultra Wide Band
Coexistence avec d’autres systèmes
Interférences des systèmes NB sur UWB
Hypothèse : bit BPSK (Tb = 20µs) constant sur chaque pulse de TH-UWB et
chaque bit pour DS-UWB (Ts = 5.4µs).
I
performances de DS-UWB et TH-UWB très proches
I
performances % quand Np %
Interprétation :
I
pour TH-UWB, idem que pour interféreur sinusoı̈dal
I
pour DS-UWB, chute des performances
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Ultra Wide Band
Coexistence avec d’autres systèmes
Interférences UWB sur UWB
Interférences de UWB sur UWB
Coexistence de plusieurs systèmes UWB + interférences multi-accès entre
siganux UWB.
I
réduction possible de la MAI par time-hopping et codes d’étalement
I
utilisateurs quasi-orhtogonaux si duty cycle (Tp /Tf ) faible ou si nb
d’utilisateurs actifs faibles (Nu Np )
Pour transmission TH-UWB :
code d’étalement (ai )i=0,...,Np Nc −1 ∈ {−1, 0, +1}, en moyenne αNp Nc bits
non-nuls par symbole :
p(a) = (1 − 2α)δ(a) + αδ(a − 1) + αδ(a + 1)
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Ultra Wide Band
Coexistence avec d’autres systèmes
Interférences UWB sur UWB
BER <
Np E 0
1
exp −
2
2I0
avec
PNu −1
I
I0 = σn2 + 2α
I
Ek : énergie par pulse de l’utilisateur k
I
σn2 : variance du bruit AWGN
k=1
E0
BER (bornes et simulations) pour différentes valeurs de α
Interprétation : diminution de α + diminution de la MAI.
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Références
Plan du cours
Introduction
Définition
Historique et Réglementations
Applications
Spécificités
Principes de transmission
Emetteurs I-UWB
Forme du pulse
Modulations TH-UWB
Modulations DS-UWB
Emetteurs MC-UWB
Principes généraux
OFDM-UWB
Modélisation du canal
Modèles Large Echelle
Modèles Petite Echelle
Récepteurs
Problèmes généraux pour récepteurs UWB
Récepteurs I-UWB
Récepteurs MC-UWB
Coexistence avec d’autres systèmes
Interférences UWB sur systèmes NB
Interférences des systèmes NB sur UWB
Interférences UWB sur UWB
Références
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Ultra Wide Band
Références
Références
I
An introduction to Ultra Wideband communication systems, ed. par J.H.
Reed, Prentice Hall, 2005.
I
M.-G. di Benedetto, G. Giancola, Understanding Ultra Wide Band Radio
Fundamentals, Prentice Hall, 2006.
I
M. Ghavami, L. B. Michael, R. Kohno, Ultra Wideband signals and
systems in communication engineering, Wiley and Sons, 2007.
I
K. Siwiak, D. McKeown, Ultra-wideband radio technology, Wiley and
Sons, 2004.
I
E. Okon, B. Allen, W. Malik, Ultra Wideband: antennas and propagation
for communications and radar and imaging, Wiley and Sons, 2006.
I
http://www.wimedia.org
I
http://www.multibandofdm.org
108/ 108

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