Étude d'un réseau de capteur UWB pour la localisation et la communication dans un environnement minier

Le jour n'est peut-être pas très loin où une mine pourra compter sur un système de communication sans fil pour échanger des données, transmettre des informations ou localiser des travailleurs dans le cas d'une activité normale ou en cas d'urgence. Au point de vue de la sécurité, un système de communications sans fil aurait l'avantage de localiser en temps réel un travailleur ou un engin. Les travailleurs se déplacent sans cesse dans une mine. Avec une technologie sans fil permanente, on pourrait localiser les personnes de manière relativement précise. Même en cas d'éboulement, avec une technologie adaptée, il serait possible de savoir où se trouve la personne en détresse. Notre travail de recherche s'inscrit dans la perspective du développement d'un réseau de capteurs ultra large bande (UWB) pour deux applications : l'aide à la radiolocalisation et l'extension du réseau de capteurs sans fil dans la mine. Cette étude est focalisée sur trois aspects. La première partie de notre étude consiste à étudier tous les problèmes reliés à la radiolocalisation dans la mine. Vue l'importance de cette application, nous avons mis en oeuvre un réseau de capteurs en tenant compte d'un futur déploiement dans la mine. La technologie utilisée repose sur la technologie ultra large bande. Comme il n'existe pas de travaux qui traitent ce genre de problèmes, nous avons commencé notre étude par une caractérisation du canal UWB dans les mines souterraines. Pour atteindre ces objectifs, plusieurs campagnes de mesure sur site (mine expérimentale) ont été menées. Nous sommes parvenus à une modélisation du canal de propagation et à avancer des recommandations pour aider au dimensionnement d'un réseau de capteurs dans ce type d'environnement. Dans la première partie, le but est d'étudier le problème de radiolocalisation avec les réseaux de capteurs. Notre scénario proposé serait de placer des capteurs sur chaque agent (mineur, engin). On suppose que chaque noeud (agent) qui circule à travers un réseau d'ancre maillé (déjà déployé), va extraire des informations de distance (en utilisant le critère de temps d'arrivée), ensuite il va utiliser un algorithme de positionnement distribué afin de déterminer sa propre position. Lors de cette partie nous avons aussi étudié quelques estimateurs cohérents et non-cohérents du temps d'arrivée. La caractérisation de l'erreur de mesure utilisant le temps d'arrivée dans un environnement minier a été aussi évaluée. Enfin, dans la dernière partie, nous avons analysé par simulations un déploiement d'un réseau de capteurs UWB ad hoc dans la mine. Nous avons choisi d'adopter une approche théorique afin d'évaluer les performances de cette configuration. Une conception intercouche pour un routage optimal a été étudiée. Nous avons utilisé la couche physique/réseau afin de minimiser l'énergie consommée lors de l'acheminement du données

Channel Measurements and Models for High-Speed Train Wireless Communication Systems in Tunnel Scenarios: A Survey

The file attached to this record is the author's final peer reviewed version. The Publisher's final version can be found by following the DOI link.The rapid developments of high-speed trains (HSTs) introduce new challenges to HST wireless communication systems. Realistic HST channel models play a critical role in designing and evaluating HST communication systems. Due to the length limitation, bounding of tunnel itself, and waveguide effect, channel characteristics in tunnel scenarios are very different from those in other HST scenarios. Therefore, accurate tunnel channel models considering both large-scale and small-scale fading characteristics are essential for HST communication systems. Moreover, certain characteristics of tunnel channels have not been investigated sufficiently. This article provides a comprehensive review of the measurement campaigns in tunnels and presents some tunnel channel models using various modeling methods. Finally, future directions in HST tunnel channel measurements and modeling are discussed

Caractérisation d'un canal ultra large bande (UWB) en milieu confiné souterrain

Le milieu minier, très complexe par sa nature, a besoin d'un système de communication fiable. Déployer un système fiable dans ce type de milieu, nécessite la connaissance parfaite du milieu de propagation. Notre projet d'étude porte donc sur la caractérisation d'un canal ultra large bande (UWB) en milieu confiné souterrain. Notre étude s'est focalisée sur la propagation des signaux ultra large bande dans le canal minier à différents niveaux. Il a consisté à déterminer ses paramètres à grande et petite échelle à différents niveaux dans la mine et à les comparer. Un autre élément fort important dans la conception d'un système de communication est sa capacité. Elle permet de déterminer les applications pouvant transiter sur le réseau. Nous avons dans un premier temps établi le protocole expérimental devant être utilisé pour des campagnes de mesures. Ensuite, les réponses fréquentielles du canal UWB (3 à 10 GHz) ont été mesurées. Nous avons grâce à la transformée inverse de Fourrier déterminé les réponses impulsionnelles. Nous avons, à deux niveaux de la mine (niveau 40 et niveau 70), déterminé les caractéristiques du canal UWB à savoir son amplitude, les paramètres de dispersion temporelle à différents niveaux de la mine et à différentes configurations (visibilité directe et non-visibilité directe) et la capacité. L'analyse des résultats obtenus montre que l'indice de pertes de propagation est proche de celui de l'espace libre en visibilité directe et varie fortement en cas de visibilité obstruée. Le système avec une antenne directive en réception donne de meilleurs résultats. La capacité du canal obtenue est assez importante pour permettre le déploiement des applications haut débit. En comparant les résultats obtenus, on constate que la majorité des paramètres du canal ne dépendent pas de la géométrie de la galerie souterraine. The mining environment, very complex by nature, needs a reliable communication system. Deploying a reliable system in this type of environment requires a perfect knowledge of the propagation channel. Our research project therefore focuses on the characterization of UWB propagation channel in an underground mine. Our study focused on the propagation channel of ultra wideband signals in the mine at different levels. It was to determine the parameters of large and small scale at various levels in the mine and then compare them. Another very important element in design of a communication system is the channel capacity that we have also calculated and compared. It identifies applications that can pass over the network. We initially established the experimental protocol to be used for measurement campaigns. Then the frequency responses of the UWB channel (3-10 GHz) were measured. The channel impulse responses were computed using the IFFT transform. We have, at two levels of the mine (Level 40 and Level 70), determined the characteristics of the UWB channel: its pathloss, the temporal dispersion parameters at different levels of the mine and at different configurations (line of sight and non line of sight) and capacity. Analysis of the results obtained show that the path loss exponent is close to free space in line of sight, and varies greatly in the case of non line of sight. The system with directional antenna at reception gives better results. The channel capacity obtained is large enough to allow the deployment of broadband applications. By comparing the results obtained, we found that the majority of the channel parameters does not depend on the geometry of the underground gallery

Antennas and Propagation Aspects for Emerging Wireless Communication Technologies

The increasing demand for high data rate applications and the delivery of zero-latency multimedia content drives technological evolutions towards the design and implementation of next-generation broadband wireless networks. In this context, various novel technologies have been introduced, such as millimeter wave (mmWave) transmission, massive multiple input multiple output (MIMO) systems, and non-orthogonal multiple access (NOMA) schemes in order to support the vision of fifth generation (5G) wireless cellular networks. The introduction of these technologies, however, is inextricably connected with a holistic redesign of the current transceiver structures, as well as the network architecture reconfiguration. To this end, ultra-dense network deployment along with distributed massive MIMO technologies and intermediate relay nodes have been proposed, among others, in order to ensure an improved quality of services to all mobile users. In the same framework, the design and evaluation of novel antenna configurations able to support wideband applications is of utmost importance for 5G context support. Furthermore, in order to design reliable 5G systems, the channel characterization in these frequencies and in the complex propagation environments cannot be ignored because it plays a significant role. In this Special Issue, fourteen papers are published, covering various aspects of novel antenna designs for broadband applications, propagation models at mmWave bands, the deployment of NOMA techniques, radio network planning for 5G networks, and multi-beam antenna technologies for 5G wireless communications

Étude et positionnement utilisant le réseau de capteur sans fil dans un environnement minier souterrain

La sécurité et la communication posent des problèmes majeurs auxquels il faut remédier dans les environnements hostiles comme les mines souterraines. Pour une communication fiable ainsi que pour tracer la position exacte d’un objet dans les mines souterraines, différentes technologies ont été déployé. Parmi ces dernières, le réseau de capteurs sans fil est considéré comme un outil prometteur pour les applications basées sur la localisation, à savoir, la surveillance des lieux, le repérage des mobiles et la navigation. En fait, les réseaux de capteur sans-fil fournissent une couverture d’une vaste gamme d’équipements fiables, efficaces, tolérants aux défaillances et évolutives. Cependant, les travaux de recherches précédents ont divisé la localisation en deux parties: les méthodes basées sur la portée et celles non-basées sur la portée. Où la première est précise et coûteuse tandis que la deuxième est présentée pour réduire la quantité d’énergie consommée du côté capteur dont les ressources sont limitées. Notre recherche se focalise sur la localisation basée sur la portée utilisant le réseau de capteurs sans fil dans les milieux internes et mines souterrains. Plusieurs techniques ont été proposées pour la localisation comme la réception de l'indicateur de force de signal (RSSI), le temps d'arrivée (TOA), la différence de temps d'arrivée (TDOA), l'angle d'arrivée (AOA). Bien que plusieurs travaux de recherches utilisant ces techniques aient été exécutés, l'approche de localisation à base de temps pour les environnements complexe comme la mine souterraine demeure limitée. Cette thèse offre de nouvelles solutions pour combler l’écart entre la localisation à base de temps et le réseau de capteurs sans fil à haute précision, pour l’environnement minier souterrain. De plus, nous avons utilisé une technologie émergente, à savoir les communications ultra-large bande, pour booster la performance et l'exactitude. Notre travail de recherche est subdivisé en deux principales parties : une partie simulation et une partie pratique. Dans la première, nous avons utilisé MATLAB pour faire les différentes simulations. La deuxième partie consiste en plusieurs mesures pratiques réalisées dans un environnement intérieur ainsi que dans une mine souterraine. Les résultats montrent une amélioration remarquable et une meilleure précision de la technique UWB à base de temps

Fully flexible textile antenna-backed sensor node for body-worn UWB localization

A mechanically flexible textile antenna-backed sensor node is designed and manufactured, providing accurate personal localization functionality by application of Decawave's DW1000 Impulse Radio Ultra-Wideband (IR-UWB) Integrated Circuit (IC). All components are mounted on a flexible polyimide foil, which is integrated on the backplane of a wearable cavity-backed slot antenna designed for IR-UWB localization in Channels 2 and 3 of the IEEE 802.15.4-2011 standard (3744 MHz-4742.4 MHz). The textile antenna's radiation pattern is optimized to mitigate body effects and to minimize absorption by body tissues. Furthermore, its time-domain characteristics are measured to be adequate for localization. By combining the antenna and the bendable Printed Circuit Board (PCB), a mechanically supple sensor system is realized, for which the performance is validated by examining it as a node used in a complete localization system. This shows that six nodes around the body must be deployed to provide system coverage in all directions around the wearer. Even without using sleep mode functionalities, the measurements indicate that the system's autonomy is 13.3 h on a 5 V 200 mAh battery. Hence, this system acts as a proof of concept for the joining of localization electronics and other sensors with a full-textile antenna into a mechanically flexible sensor system

Design and Implementation of a UWB Radar Sensor for Non-Destructive Application

[ES] Debido a la importancia de los campos de aplicación del sensor de radar de banda ultraancha, y también a los requisitos de cada aplicación específica, existe una demanda creciente de diseño compacto, de bajo coste y alta precisión del sensor de radar de banda ultraancha. Para responder a estas exigencias, esta tesis pretende proponer un sensor de radar UWB avanzado. Este trabajo de investigación se centra en el diseño del sensor de radar de banda ultraancha (UWB) para aplicaciones no destructivas (END). Los detalles de diseño incluyen el diseño de un generador de pulsos ultracorto, de alta potencia con un timbre mínimo. El radar desarrollado fue construido con una configuración biestática. El objetivo de este trabajo es medir el rango de distancia y las propiedades eléctricas de un objetivo, por ejemplo, metales y materiales dieléctricos, como el cloruro de polivinilo (PV C). Para lograr este objetivo, se ha desarrollado un novedoso generador de pulsos de alta potencia ultra-corto (pulsador de radar). El nuevo generador de pulsos consiste en un transistor que funciona en modo de avalancha y un circuito de afilado de pulsos que utiliza un nuevo modelo de diodo de recuperación de paso (SRD). Para convertir el pulso gaussiano en un monociclo, se ha añadido una red de formación de monociclo (MFN). El generador de impulsos desarrollado produce un impulso eléctrico con una amplitud de 12 V, un tiempo de subida de 112 ps y un ancho de impulso (FWHM) de 155 ps. Con el fin de aumentar la amplitud de los pulsos, se han propuesto dos técnicas útiles en este trabajo. El primero consiste en agregar dos generadores en paralelo, en este diseño propuesto se tuvo en cuenta alguna especificación para hacer que este circuito funcione. Sin embargo, la segunda técnica adoptada en este trabajo consiste en dos etapas de generadores, ambas técnicas dan lugar a un buen rendimiento; en lugar de un solo módulo de un generador de impulsos, las técnicas propuestas en este trabajo aumentan la amplitud en torno al doble. Ambas técnicas han sido investigadas en detalle. Para transmitir y recibir los impulsos ultracortos generados, se utilizaron dos tipos diferentes de antenas UWB. En primer lugar, una antena Vivaldi con un ancho de banda de unos 5,5 GHz de 600 MHz a 6 GHz. La segunda es una antena Vivaldi con un ancho de banda de 6 GHz de 400 Mhz a 6,2 GHz. Utilizando el sensor de radar de banda ultraancha desarrollado, se realizaron mediciones de prueba. Esto incluye las propiedades eléctricas, así como la medición de la distancia a las placas de metal, madera y PVC. La incertidumbre del sensor de radar es de 14 mm (datos medidos asustados a + 14 mm para un blanco fijo). El diseño y la implementación real que conduce a lograr un excelente prototipo de rendimiento para una aplicación no destructiva.[CA] A causa de la rellevància dels camps d'aplicació del sensor de radar d'ultra banda ampla, i també l'exigència de cada aplicació específica, hi ha una demanda creixent de disseny compacte, de baix cost i alta precisió del sensor de radar d'ultra banda ampla. Amb la intenció d'atendre aquestes demandes, aquesta tesi pretén proposar un sensor avançat de radar UWB. Aquest treball de recerca tracta del disseny del sensor de radar d'ultra-banda ampla (UWB) per a aplicacions no destructives (NDT). Els detalls del disseny inclouen el disseny d'un pols de monocicle amb pols de potència d'alta potència i amb un mínim de timbre. El radar desenvolupat va ser construït en configuració bi-estàtica. L'objectiu d'aquest treball és mesurar el rang de distància i les propietats elèctriques d'un objectiu, per exemple, materials metàl·lics i dielèctrics, com el clorur de polivinil (PV C). Per assolir aquest objectiu, s'ha desenvolupat un nou ultrasò, generador de pols d'alta potència (polsador de radar). El nou generador de pols està format per un transistor que funciona en mode d'allaus i un circuit d'afilat de pols mitjançant un nou model de díode de recuperació de pas (SRD). Per a convertir el pols gaussiano en un monocicle, s'ha afegit una xarxa de formació de monocicles (MFN). El generador de polsos desenvolupat produeix un pols elèctric amb una amplitud de 12 V, un temps d'augment de 112 ps i un ample de pols (FWHM) de 155 ps. Amb l'objectiu d'augmentar l'amplitud dels polsos, s'han proposat dues tècniques útils en aquest treball. El primer consisteix a afegir dos generadors de forma paral·lela, en aquest disseny proposat, cal tenir en compte algunes especificacions per a fer la viabilitat d'aquest circuit. No obstant això, la segona tècnica adoptada en aquest treball consisteix en una doble etapa de generadors, ambdues tècniques donen lloc a una bona actuació; en lloc d'un únic mòdul d'un generador de pols, les tècniques proposades en aquest treball augmenten l'amplitud al voltant del doble. Per transmetre i rebre polsos ultra-curts generats, s'han utilitzat dos tipus diferents d'antenes UWB. En primer lloc, una antena de Vivaldi amb un ample de banda d'uns 5,5 GHz de 600 MHz a 6 GHz. Mentre que la segona és una antena Vivaldi amb un ample de banda de 6 GHz de 400 MHz a 6.2 GHz. Mitjançant el sensor de radar ultra-ampla desenvolupat, es va realitzar la mesura de la prova. Incloïen propietats elèctriques i mesures de distància a les plaques metàl·liques, fusta i PVC. S'ha trobat que la incertesa del sensor de radar és de 14 mm (dades mesurades espantades entre + 14 mm per a un objectiu fix). El disseny i la implementació real condueixen a aconseguir un excel·lent prototip de rendiment per a una aplicació no destructiva.[EN] Due to the relevance of application fields of ultra-wideband radar sensor, and also the requirement of each specific application, there is an increasing demand of compact, low cost and high accuracy design of ultra-wideband radar sensor. With a view to addressing these demands, this thesis aims to propose an advanced UWB radar sensor. This research work deals with the design of the ultra-wideband (UWB) radar sensor for non-destructive (NDT) application. The design details include the design of ultra-short, high power pulse generator monocycle pulse with a minimum of ringing. The developed radar was build in bi-static configuration. The goal of this work is to measure the distance range and electrical properties of a target e.g, metal and dielectric materials, such as Polyvinyl chloride (PV C). To achieve this goal, a novel ultrashort, high power pulse generator (radar pulser) has been developed. The new pulse generator consists of a transistor operating in avalanche mode and a pulse sharpening circuit using a new model of step recovery diode (SRD). In order to converts the Gaussian pulse to a monocycle, a monocycle forming network (MFN) has been added. The developed pulse generator produces an electrical pulse with an amplitude of 12 V, a rise-time of 112 ps and pulse width (FWHM) of 155 ps. For the purpose to increase the amplitude of the pulses, two useful techniques have been proposed in this work. The first one consist of adding two generators in parallel, in this proposed design some specification was be taking into account to making the workability of this circuit. However, the second technic adopted in this work consists of a two-stage of generators, both technics give rise to a good performance; instead of a single module of a pulse generator, the techniques proposed in this work increase the amplitude around the double. In order to transmit and receive the generated ultra-short pulses, two different types of UWB antennas have been used. First, a Vivaldi antenna with a bandwidth of about 5.5 GHz from 600 MHz to 6 GHz. While the second is a Vivaldi antenna with a bandwidth of 6 GHz from 400 Mhz to 6,2 GHz. Using the developed ultra-wideband radar sensor, test measurement was performed. These included electrical properties as well as distance measurement towards metal plates, wood, and PVC. The uncertainty of the radar sensor has been found to be 14 mm (measured data scared within + 14 mm for a fixed target). The design and real implementation leading to achieve excellent performance prototype for a non-destructive application.Ahajjam, Y. (2019). Design and Implementation of a UWB Radar Sensor for Non-Destructive Application [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/124057TESI