Ultra Wide Band ULTRA WIDE BAND Martial COULON ENSEEIHT - 3 année Télécom-Réseaux - option Mobilité année 2007-2008 1/ 108 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 2/ 108 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 2/ 108 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 2/ 108 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 2/ 108 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 2/ 108 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 2/ 108 Ultra Wide Band Introduction 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 3/ 108 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 4/ 108 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 5/ 108 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 6/ 108 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 7/ 108 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. 8/ 108 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 9/ 108 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 10/ 108 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 11/ 108 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. 12/ 108 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). 13/ 108 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 = 14/ 108 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 15/ 108 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. 16/ 108 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. 17/ 108 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 18/ 108 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) 19/ 108 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) 20/ 108 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 21/ 108 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 22/ 108 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 23/ 108 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 24/ 108 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. 25/ 108 Ultra Wide Band Principes de transmission Emetteurs I-UWB Exemples PPM / PAM / OOK 26/ 108 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 . 27/ 108 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 28/ 108 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 29/ 108 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 30/ 108 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 31/ 108 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 32/ 108 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. 33/ 108 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 35/ 108 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 36/ 108 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. 37/ 108 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). 38/ 108 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. 39/ 108 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 40/ 108 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 ? 41/ 108 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. 42/ 108 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. 43/ 108 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 44/ 108 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 45/ 108 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 46/ 108 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) 47/ 108 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 48/ 108 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 49/ 108 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 50/ 108 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 51/ 108 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 52/ 108 Ultra Wide Band Modélisation du canal Modèles Petite Echelle Modèle de Saleh-Valenzuela Modèle par clusters : les composantes arrivent par paquets (clusters) aléatoires 53/ 108 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 54/ 108 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 55/ 108 Ultra Wide Band Modélisation du canal Modèles Petite Echelle Exemple de paramètres de canal Saleh-Valenzuela UWB 56/ 108 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 57/ 108 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 58/ 108 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 59/ 108 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 60/ 108 Ultra Wide Band Modélisation du canal Modèles Petite Echelle CDF de l’amplitude pour différents délais en excès 61/ 108 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 62/ 108 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 63/ 108 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 64/ 108 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 ? 65/ 108 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 66/ 108 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 67/ 108 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 68/ 108 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 69/ 108 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 72/ 108 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 91/ 108 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 94/ 108 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) 95/ 108 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 96/ 108 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 97/ 108 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 ! 99/ 108 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 100/ 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 : 2 sinusoı̈des pures en 400mHz et 600MHz 101/ 108 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 104/ 108 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) 105/ 108 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. 106/ 108 Ultra Wide Band 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 107/ 108 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