Artifact paths removal algorithm for ultra-wideband channels

Ultra-wideband (UWB) is a promising technology for achieving high data rate communications. When UWB channel measurements are conducted, channel impulse responses (CIRs) are extracted from measured UWB waveforms using CLEAN deconvolution algorithm. However, artifact paths that represent unreal received multipath components (MPCs) are generated during this process. These artifact paths are registered as part of the measured CIRs representing a reflected signal from a scatterer. In reality, these paths do not represent a real scattering environment and this affects accurate channel modeling. Therefore, removal of the artifact paths is important to conserve better and have a more real scattering environment. In this work, an algorithm was developed to remove artifact paths from measured CIRs. The algorithm development was achieved based on the concept of geometric elliptical modeling applied to wideband channels, where the effective path in each ellipse is utilized to represent the channel response of the ellipse. Several UWB channel measurements were conducted to obtain the measured UWB waveforms. In addition, the characteristics of the UWB channels were analyzed in terms of CIRs properties and their stationarity regions. The algorithm performance was evaluated by comparing the single-template CLEAN CIRs with the CIRs result from the application of the developed algorithm on single-template CLEAN CIRs. Results showed that the developed algorithm can successfully remove the artifact paths. Besides that, an enhancement in the received power was achieved. For a specific measured channel, the received power enhancement obtained was more than 5%. The algorithm is beneficial for enhancing accuracy of CIRs extracted from a single-template CLEAN algorithm. Consequently, more accurate channel characteristics are gained leading to improved channel modelling and different parameter extractions

Millimeter wave and UWB propagation for high throughput indoor communications

Millimeter-wave systems at 60 GHz and ultra-wideband (UWB) systems in the microwave range of 3-10 GHz have been received with great interest for their high data rate wireless communications. In design, test and optimization of future wireless systems, channel models featuring the relevant characteristics of radiowave propagation are required. Furthermore, detailed understanding of the propagation channel and its interaction with system, creates insights into possible solutions. In this work, both theoretical (ray-tracing) and statistical models of the 60 GHz and UWB channels are studied. Propagation characteristics of the 60 GHz and UWB indoor channels are also compared for providing useful information on design of radio systems. More specifically, based on real-time channel sounder measurements performed in the 60 GHz band, propagation mechanisms including person blocking effect are concluded. Ray-based models in LOS and NLOS indoor corridors are proposed. Multipath power distributions in the 60 GHz band are studied first time. Moreover, propagation interdependencies of path loss, shadowing, number of paths, Rice K-factor and cross polarization discrimination (XPD) with channel delay spread are established. In the UWB propagation channel, frequency- and bandwidth- dependencies are investigated. Multipath and clustering propagation characteristics are analyzed. A new cluster model is proposed and compared with the classical Saleh-Valenzuela model for gaining more understanding of channel general properties. Finally, the performance and capacities of the 60 GHz UWB and MIMO (multiple-in and multiple-out) systems are analyzed for providing reliable parameters for system design and useful information for standardization groups

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

Localisation dans les milieux confinés: combinaison de l'UWB et les réseaux de neurones dans un algorithme de localisation par signature

Le travail de ce rapport porte sur la localisation dans les milieux internes et plus précisément dans les milieux non conventionnels, les mines par exemple. L'UWB (Ultra Wide Band) présente un niveau physique idéal pour une telle application en raison de ses caractéristiques. Parmi les avantages de l'UWB citons: une résolution temporelle élevée qui fournit une meilleure précision temporelle dans un système de localisation; une grande largeur de bande qui permet de mieux contrôler les effets sélectifs d'un canal; une résolvabilité des différentes parties d'une même transmission et provenant du phénomène multi-trajet. D'autre part, la localisation par signature se base généralement sur la formation d'une empreinte qui est directement liée à une position donnée et cela d'une manière unique et reproductible. En conséquence, le choix du signal UWB devient évident pour la prise des signatures et pour l'application dans le système de localisation sous étude. Plusieurs analyses et campagnes de mesure concernant une transmission UWB ont été effectuées. Pour cela, un analyseur de réseau a été utilisé. Ce dernier réalise les mesures dans le domaine fréquentiel en effectuant un balayage de fréquences sur toute la largeur de bande choisie. Ces mesures sont ensuite transformées dans le domaine temporel utilisant les transformations de Fourier. Nous avons réussi à couvrir des distances allant de 36 à 40 mètres, alors que la plupart des travaux dans la littérature couvrent une distance maximale de 10 m. Ce qui a nécessité l'addition de matériel pour augmenter la portée du système. Jusqu'aux limites de nos connaissances, ce travail (au LRTCS) est l'un des rares se focalisant sur les mines et les environnements hostiles. Enfin, trois scénarios différents ont été réalisés: i) le cas de visibilité directe sans aucune source d'interférence; ii) le cas de visibilité directe avec plusieurs sources de bruit (interférence); iii) le cas d'absence de ligne de vue. Après avoir construit les bases de données requises, des analyses ont été effectuées sur les réponses impulsionnelles collectées afin de trouver une empreinte qui représente au mieux le milieu choisi et qui offre donc la meilleure performance de l'algorithme de localisation. L'erreur étudiée représente la différence entre la position bidimensionnelle réelle et celle estimée par l'algorithme. Les résultats obtenus sont comparables à ceux trouvés dans la littérature

Vers le développement d'une station de télécommunication aérienne pour le milieu isolé

RÉSUMÉ : Le projet de recherche « Développement d'une station de télécommunication aérienne pour le milieu isolé » est basé sur la problématique de la quasi-absence de solutions de télécommunication pour le milieu isolé à part les tours de télécommunication, déployées partiellement, la fibre optique très onéreuse et présente dans de petits secteurs isolés et le satellite avec des coûts d'utilisation assez importants. Pourtant, lorsque l'on prend l'exemple du nord du Québec, la population, mais aussi certains secteurs industriels comme les mines ou le fret ferroviaire revendiquent la nécessité d'avoir des solutions de télécommunication innovantes ou à défaut simplement adéquates. La thèse, après avoir balayé en détail et évalué toutes les solutions de télécommunication existantes, propose une solution innovante : le ballon captif de télécommunications. Cette solution avec peu de ballons répartis sur un vaste secteur isolé permet de lui apporter une couverture radio totale. Cette solution est autonome en alimentation électrique et est déployable rapidement sur site. Les ballons captifs associés à des nanosatellites en plein essor de nos jours permettront d'apporter au milieu isolé les dernières technologies de télécommunication comme l'internet des objets, réservées pour le moment au milieu urbain. Ce projet de développement d'une solution de ballons captifs-nanosatellite pour le milieu isolé est en réalité un vaste projet dans lequel s'insère la thèse. Cette dernière vise donc à développer et à valider des concepts pour le milieu isolé qui seront utilisés lorsque, plus tard, les ballons et les nanosatellites se parleront dans le milieu isolé. L'un de ces concepts, la géolocalisation, constitue une des problématiques majeures en milieu isolé avec de multiples applications: la géolocalisation de personnes comme les employés travaillant dans les mines, la géolocalisation de trains nordiques, la géolocalisation de matériel, ou la géolocalisation d'animaux pour évaluer leur parcours migratoire par exemple. La thèse s'articule donc autour des thématiques de milieu isolé, de paramètres d'un système de télécommunication, de l'internet des objets, de techniques de géolocalisation avec estimateurs. Quatre études de cas sont mises en œuvre dans cette thèse, en utilisant pour chacune d'elles des techniques de modélisation, de simulations et bien évidemment de validations expérimentales. La première étude de cas a permis de développer avec succès un système de sécurité ferroviaire, pour des employés d'une compagnie ferroviaire travaillant sur des voies ferrées au nord du Québec en milieu isolé, donc sans connexion internet ni réseau électrique, avec la mise en œuvre d'un système de télécommunication basé sur le protocole IEEE 802.15.4. La seconde étude de cas a consisté à étudier la portée d'un système de télécommunication internet des objets utilisant le protocole LoRaWAN dans le cadre du milieu isolé: un résultat de 25 km a été établi. La troisième étude de cas, fondamentale dans un environnement isolé est concentrée sur l'optimisation de l'autonomie en énergie d'un nœud LoRa, donc pour l'internet des objets: une autonomie de 5 ans sur batterie lithium-ion a été obtenue. Enfin la dernière étude de cas met en œuvre un système de géolocalisation par l'internet des objets avec étude de différents estimateurs : une précision de 20 cm sur la géolocalisation d'un nœud LoRa a été obtenue. Ce projet de recherche a permis d'apporter des résultats fort intéressants et très prometteurs sur des concepts très présents dans les thématiques de recherche actuelles. Ces contributions scientifiques ont d'ailleurs débouché sur la publication d'un article et la soumission d'un autre, mais surtout, elles se manifesteront par un potentiel de soumission de 3 articles sous peu. Enfin, ce travail de recherche démontre la pertinence de l'association entre ballons captifs et nanosatellites pour le milieu isolé et il pose les bases du développement de cette solution innovante. -- Mot(s) clé(s) en français : milieu isolé, systèmes de télécommunication sans il, ballons captifs, photovoltaïque, internet des objets, LoRaWAN, géolocalisation, estimateurs, nanosatellites. -- ABSTRACT : "Development of an aerial telecommunication station for the isolated environment" research project is based on the problem of the lack of telecommunication solutions for the isolated environment apart from the telecommunication towers, partially deployed, the very expensive optical fiber located in small isolated areas and the satellite with fairly high operating costs. However, when we take the example of northern Quebec, the population but also certain industrial domains such as mining or rail freight claim the need for innovative or, by default, simply adequate telecommunication solutions. The thesis after having swept in detail and evaluated all the existing telecommunication solutions proposes an innovative solution: the tethered telecommunication balloon. This solution with few balloons distributed over a large isolated sector provides a high radio coverage. This solution is autonomous in terms of power supply and can be quickly deployed on the site. The tethered balloons associated with nanosatellites which is booming nowadays will bring to the isolated environment the latest telecommunication technologies like the internet of things reserved for the moment for urban environments. This project consisting to associate tethered balloons with nanosatellites for the isolated environment, is actually a vast project in which the thesis is part. Therefore, the thesis aims to develop and validate concepts for the isolated environment that will be used later, when tethered balloons and nanosatellites will talk to each other in the isolated environment. One of these concepts, the geolocalization, is one of the major issues in isolated environment with lots of applications: the geolocalization of people such as employees working in mines, the geolocalization of Nordic trains, the geolocalization of equipments, or the geolocalization of animals to assess their migratory journey, for example. Therefore, the thesis revolves around the themes of an isolated environment, of parameters for telecommunication systems, of the Internet of Things, of the geolocalization technics with estimators. Four case studies are implemented in this thesis, each using modeling, simulations and obviously experimental validation technic. The first case study made it possible to successfully develop a railway safety system, for employees of a railway company working on railways in northern Quebec in isolated areas therefore without internet connection or neither electrical network: the solution which has been developed was based on a telecommunication system working with the IEEE 802.15.4 protocol. The second case study consisted of studying the range of an Internet of Things telecommunication system based on the LoRaWAN protocol in the isolated environment context: a result of 25 km was established. The third case study, very important in an isolated sector, focuses on optimizing the energy autonomy of a LoRa node therefore for the Internet of Things: a 5-year autonomy on lithium-ion battery was obtained. Finally, the last case study implements a geolocalization system via the Internet of Things with a study of different estimators: a LoRa node geolocalization accuracy of 20 cm was obtained. This research project has made it possible to obtain very interesting and very promising results on concepts very present in current research themes. These scientific contributions result in the publication of one article and the submission of another one, but more importantly, there will be a potential submission of 3 articles. Finally, this research job demonstrates the relevance of the combination of tethered balloons and nanosatellites for isolated environments and it gives the foundations for the development of this innovative solution. -- Mot(s) clé(s) en anglais : isolated environment, wireless telecommunication systems, tethered balloons, photovoltaics, internet of things, LoRaWAN, geolocalization, estimators, nanosatellites