Système de Communications Sans Fil Très Haut Débit à 60 GHz

National audienceThis paper presents the study and the realization at IETR of a high data rate 60 GHz wireless communications system. The system uses a simple single carrier architecture. The receiver architecture is based on a differential demodulation which minimizes the intersymbol interference (ISI) effect and a signal processing unit composed of a joint frame and byte synchronization block and a conventional RS (255, 239) decoder. The byte synchronization technique provides a high preamble detection probability and a very small value of the false detection probability. First measurement results show a good communication link quality in line of sight environments with directional antennas

Conception et intégration d’un sous-système filtre-antenne en céramique pour les communications haut-débit sans fils à 60 GHz

The 60 GHz unlicensed spectrum between 57 and 66 GHz has received a lot of attention over the last years for enabling short-range and over 1-Gbps high-speed wireless communications. In addition to the high-data rates that can be accomplished in this spectrum, many other benefits such as high security communications are foreseen. In general, this frequency band is destined to low power and short range fixed or mobile applications. To benefit from high-speed within a compact device, it is required to realize a subsystem combining a directional antenna and a multiplexer with the same technological process. The 3D ceramic stereo lithography process has been selected to ensure the dimensional accuracy and limit the inevitable dispersions. This thesis contributes to achieve directional antennas at 60GHz by a combined antenna design and filter, and perform this function in the same technology the 3D ceramic stereo lithography process when connecting the filter with the antenna. Therefore, the first challenge is to design and to manufacture the primary feed of the directive antenna and the channel filters using the 3D ceramic process. The second challenge is to combine the primary feed and the 4 channel filters to form a single object. The filter-antenna subsystem allows to have a directivity of approximately 14 dBi. Therefore, the radiation of the horn antenna remains unchanged over the whole frequency band [57-66]GHz by associating the manifold multiplexer. The filter-antenna subsystem provides a return loss better than 10 dB at each port.Dans le cadre des communications numériques sans fil, la vitesse d’échange de données est plus que jamais une caractéristique critique du système. Une augmentation du débit est donc nécessaire pour le développement de nouvelles applications, comme le «Wireless HD» qui doit rendre possible la transmission sans fil de gros volumes de données, telles que de la vidéo «non-compressée» à haute définition, à très haut débit (1-2 Gbps). La bande de fréquence centrée à 60 GHz semble être une solution préférentielle pour répondre à un tel besoin de par sa bande de fréquence disponible (9 GHz). Pour cela, il est nécessaire de disposer de technologies performantes pour l’intégration de systèmes d’émission réception (front-ends) millimétriques pour ces communications à très haut débit. L’objectif de cette thèse est de participer à la réalisation d’un système antennaire très directif à 60 GHz par la conception combinée d’une antenne et d’un filtre, et l’intégration de cette fonction grâce à un même procédé technologique. La conception et l’intégration combinées de l’antenne et du filtre participeront à améliorer le rendement global du sous-système destiné à des applications très haut débit à 60 GHz. Cette thèse, intitulée «Conception de fonctions combinées filtre-antenne pour les communications haut débit à 60 GHz», a été réalisée au sein du laboratoire XLIM, en collaboration avec le SPCTS pour les aspects technologiques, dans le cadre d’un projet régional

Caractérisation à grande échelle d'un signal 60 GHz dans un environnement minier confiné

Les télécommunications sans fil ont connu un grand intérêt et succès depuis plusieurs années grâce à leur facilité de déploiement par rapport aux télécommunications filaires, leur support de la mobilité des nœuds communiquant et leur souplesse d'utilisation par les usagers. Le problème actuel des télécommunications sans fil est de pouvoir assurer des débits élevés de transmission capable de supporter des applications fortement gourmande en bande passante. Pour relever ces défis plusieurs solutions sont proposées. Parmi elle la montée en fréquence vers le spectre des ondes millimétriques. Cette approche est à la base de notre étude qui porte un intérêt particulier à l'étude de la propagation d 'un signal 60 GHz dans un dans un milieu confiné en mettant en œuvre un sondeur de canal pour ses ondes millimétriques. Les résultats des mesures à grande échelle d'un signal à 60 GHZ sont étudiés dans plusieurs scénarios : visibilité directe, et en visibilité obstruée en utilisant comme obstacle un être humain, dans un environnement de laboratoire et dans un milieu souterrain minier. Les résultats montrent une différence considérable dans l'atténuation de canal pour ces différents scénarios. Ce travail a été effectué en partie au laboratoire de recherche en communications souterraine LRTCS à Val-d'Or, Canada et pour la partie expérimentation sous terre dans la mine de CANMET. Wireless communications have been a great interest and success for several years because of their infrastructure simplicity compared to wired telecommunications, their important terminal mobility, and also their flexibility of operation by users. The current problem of wireless telecommunications is being able to provide high transmission rates capable of supporting intensive applications consuming bandwidth. To meet these challenges, several solutions are proposed. Among them the rise in frequency to millimetre wave spectrum. This approach is the basis of our study that has a particular interest in the study of signal propagation in 60 GHz in a confined environment by implementing a channel sounder for its millimetre wave. The measurement results of a large-scale signal at 60 GHz are studied in several scenarios: Line of Sight and obstructed Line of sight using a human being as an obstacle in a laboratory environment and in an underground mining environment. The results show a considerable difference in the channel attenuation for these different scenarios. This work was done in part at the Underground Communications Research Laboratory LRTCS in Val-d'Or, Canada and the part of experimentation in underground CANMET mine

Étude de performance d'une liaison sans fil OFDM dans un canal complexe

Le développement continuel subit par le monde des télécommunications (applications de plus en plus gourmandes en bande passante, rareté de la ressource fréquentielle) crée un besoin. Ce besoin est de passer à des fréquences supérieures tout en offrant la fiabilité de communications fournies par les systèmes à basse fréquence. Notre projet met l'accent sur la technique bien connue de l'OFDM, et étudie les performances de celle-ci pour différents types de canaux, dont celui de Rice, à 60 GHz. L'OFDM a déjà fait ses preuves avec la norme IEEE 802.11 (a, g, n) (WIFI) et 802.16 (WiMAX) pour les bases fréquences d'où l'intérêt de l'employer pour le signal 60 GHz. L'objectif du document est de présenter les performances du système de transmission pour différents canaux tout en proposant une méthode de combat du multi-trajet qui est celle du préfixe cyclique. Les performances sont présentées en termes de taux d'erreur binaire pour les méthodes manuelles et dynamiques d'affection de préfixe cyclique. Pour atteindre cet objectif, le document a comme base des travaux précédents (état de l'art) des réseaux de télécommunications ainsi que les principes de fonctionnement de la technique OFDM. Cette fondation établie, l'implémentation complète de la chaine de transmission OFDM est faite dans le logiciel de simulation Matlab. La communication est simulée pour les canaux respectifs de Gauss, Rice et Rayleigh pour les fréquences de 2.4, 5 et 60 GHz. L' analyse des résultats montre qu'on obtient des performances intéressantes pour le système de transmission avec le modèle de Rice à 60 GHz. La raison étant que les ondes ont un comportement optique à cette fréquence, la majeure partie de l'énergie est concentrée dans le trajet direct. Il sera donc avantageux pour les communications à 60 GHz d'avoir les trajets les plus directs possible entre émetteur et récepteur pour de belles performances. Au terme du travail, un outil de simulation est disponible pour servir à l'étude et la visualisation rapide de performances. Ce travail ouvre des perspectives très intéressantes pour l'utilisation d'antennes multiples et performantes en milieu confiné. The continuous development undergone by the telecom world (increasing bandwidthintensive applications, scarce frequency resources) creates a need. This need is to move to higher frequencies while providing the reliability of communications furnished by the systems of low frequency. Our project focuses on the well-known OFDM technique, and studies the performance thereof for different types of channels whose complex model is the Triple SV channel at 60 GHz. OFDM has already proven itself in the IEEE 802.11(a, n, g) (WIFI) and IEEE 802.16 WiMAX standard. The aim of the document is to present the performance of the transmission system for different channels while proposing a method to combat multipath. Performance is presented in terms of amount of binary error in function of the energy involved in the wireless link. To achieve this objective, the document has the basis of previous work (state of art) of telecommunications networks and operating principles of the OFDM technique. This foundation sets the implementation of the complete chain of OFDM transmission is made in the Matlab simulation software. The communication is made for the Gauss, Rice and Rayleigh channels at 2.4, 5 and 60 GHz. The analysis of the results shows that we obtain very interesting performance for the transmission system through Rician channel model at 60 GHz. The reason being that the waves have an optical behavior at 60 GHz; most of the energy is concentrated in the direct path. It will be advantageous for communications at 60 GHz to have the most direct route possible between transmitter and receiver for best performance. A simulation tool is available for use in the study and visualization of rapid performance. The work establishes a good basis for further work in confined area and possible extension to multiple antennas (MIMO-OFDM

Modélisation et simulation de réseaux locaux et personnels sans fil : intégration des couches PHY et MAC

Dans ce travail nous nous intéressons à la modélisation des couches MAC et PHY dans le cadre des réseaux sans fil à faible, portée. Il présente les techniques de modélisation utilisées pour l'intégration des couches MAC-PHYs (Medium Access Control and Physical layer) de type IR-UWB (Impulse Radio Ultra Wideband) d'une part, et des nouvelles techniques de transmission à 60GHz incluant le beamforming d'autre part, dans le simulateur GloMoSim/QualNet. La modélisation de IR-UWB est basée sur la prise en compte directe des collisions d'impulsions et de l'interférence multi-utilisateur au niveau de la couche PHY par l'introduction du concept de séquences de réception et la notion d'orthogonalité en réception. L'architecture de modélisation proposée est basée sur l'utilisation d'une matrice d'interférence, elle a été développée en deux étapes : une première modélisation basée sur des trains d'impulsions uniformément espacées et une deuxième modélisation plus complète prenant en compte l'utilisation des séquences de sauts aléatoires également appelés séquences de time hopping. L'évaluation de performances de cette partie est basée sur une application typique des réseaux de capteurs dans le cadre d'une application de détection d'intrusion sur une surface protégée. La modélisation à 60 GHz à pour but la prise en compte des nouvelles techniques d'amélioration du débit, notamment l'agrégation et le beamforming. La prise en compte du beamforming est basée sur la définition, des diagrammes de rayonnement des antennes ainsi que de l'interface MAC-PHY/Antenne. La modélisation des deux protocoles de beamforming définis dans le standard 802.15.3c est également effectuée. L'évaluation de performances de cette partie est basée sur un système de distribution de contenu multimédia.In this work, we focus on physical and medium access control layer modeling and simulation for short range wireless communication. In particular, the modeling of the Impulse Radio Ultra Wide Band technique for wireless sensor networks and the high data rate communication modeling which uses millimeter wave and beamforming. The first part deals with the modeling of Impulse Radio Ultra Wide Band. The proposed model takes into account the pulse collision induced by multiple concurrent transmissions at the physical layer which is also called multi user interference. This aspect is accurately introduced thanks to the concept of reception time hopping sequences of concurrent reception and their orthogonality. The simulation architecture is built using two models: the first model is based on a uniformly distributed pulse train and the second model, more complete, takes into account variable time hopping sequences. The performance evaluation of this part is based on a typical wireless sensor networks application, in which sensor nodes are scattered on a particular area to detect and report intrusion events to a base station. The second part deals with the modeling of high data rate communication using millimeter wave. The targeted goal of millimeter wave transmission is to increase the data rate using some novel techniques: beamforming and data aggregation. Beamforming is modeled on the so-called codebook beamforming defined as the new beamforming technique for high data rate wireless communication standards. A methodology is developed to take into account the radiation pattern defined by the codebook indexes. For each index the gain of the directional antenna is computed for each direction. This is used in the simulation model physical layer to determine the directional antenna gain in a particular direction during the propagation stage. The defined protocols for sector level and beam level training defined in the 802.15.3c draft are also modeled. The performance evaluation of this part is based on a multimedia distribution system

Mimo-ofdm pour les communications sans-fil dans les mines souterraines

Le travail dans les mines souterraines est hasardeux et risqué. D’ailleurs, l’humanité avait assisté à de nombreux incidents malheureux dans les mines où un grand nombre de personnes ont perdu leur vie. De ce fait, le renforcement de la sécurité dans les mines souterraines est devenu une nécessité. D’autre part, les communications sans-fil ont contribué à l’évolution de différentes industries de nos jours. En effet, elles ont permis de renforcer la sécurité et augmenter la production. Cependant, ce type de système est peu sollicité dans les mines. En fait, la majorité des communications souterraines est assurée par voie filaire. Comme les mines souterraines est un milieu, à la fois, dynamique et difficile d’accès, les communications sans-fil se manifestent comme une meilleure alternative aux systèmes filaires. Dans ce travail, nous avons présenté les caractéristiques du canal minier, du point de vue la propagation radio, pour des communications sans-fil à 2.4 GHz et 60 GHz. Ensuite nous avons fourni les résultats de l’évaluation des performances, de la technologie MIMO-OFDM, à travers ce canal minier. Par les différentes évaluations, nous avons mis en évidence la capacité de la configuration MIMO-OFDM à combattre la sélectivité fréquentielle et la dispersion temporelle causée par le canal minier. Nous avons démontré, de ce fait, que la technique MIMO-OFDM est une solution adéquate et prometteuse pour assurer des communications sans-fil fiables et à haut débit, dans les mines souterraines

Étude des interférences liées à la coexistence de l'UWB et du WiMAX dans un environnement minier souterrain

Les communications à large bande, notées en bref comme Ultra Wide Band (UWB), est une technologie sans fil qui a révolutionné les applications à courte portée (> 8km). Cette technologie offre des services d'accès large bande fixe et mobile [2]. Les technologies sans fil sont de plus en plus intégrées avec d'autres réseaux de communications [3]. La coexistence de ces deux technologies donne forcement naissance à des interférences que chacune exerce sur l'autre car les deux technologies opèrent dans la même bande de fréquences plus précisément 3.5 GHz pour le WiMAX et de 3.1 à 10.6 GHz pour le WiMédia et les deux utilisent la modulation OFDM. Autrement dit, le déploiement du WiMAX dans la bande 3,5 GHz est sensible aux interférences dues aux dispositifs UWB opérants dans le 1er groupe de bandes (3.168GHz à 4.752GHz) selon les spécifications WiMédia et inversement [4- 10]. Dans le cadre de notre travail, ces deux systèmes ont été étudiés ainsi que les interférences liées à leur coexistence. Aussi, une solution pour combattre ces interférences est proposée afin d’améliorer les communications souterraines. Pour ce faire, une simulation de ces interférences est réalisée sur MA TLAB et à partir de là, un filtre adaptatif est créé pour corriger l’effet de ces interférences sur le canal. Afin d'étudier l'efficacité de ce filtre, une compagne de mesure d'interférences a été réalisée, dans un premier temps, au laboratoire, puis à la mine laboratoire de CANMET pour démonter les performances de ce filtre adaptatif. Cette évaluation a été faite en termes de capacité et de taux d'erreur des paquets (PER) pour la simulation et les mesures expérimentales

Architectures multi-bandes en mode impulsionnel et circuits pour des applications nomades très haut débit autour de 60GHz

Avec la croissance actuelle du marché des applications de transfert de données multimédia à très haut débit, les bandes de fréquences autour de 60 GHz sont une nouvelle alternative promettant des performances intéressantes en terme de débits mais soulèvent des défis techniques et technologiques au niveau des architectures et circuits. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse, qui propose une approche multi bande impulsionnelle MBOOK avec un récepteur à détection d'énergie, et qui analyse plus spécifiquement les verrous au niveau de l'émetteur. L'étude du canal de propagation à 60 GHz, basée sur les modèles de canaux du standard IEEE 802.15.3c, a permis de démontrer la potentialité de cette architecture et permet d'atteindre des débits de 2 Gbps à 2metres dans un environnement de type résidentiel. Le dimensionnement de l'architecture ainsi que des performances des principaux blocs ont conduit à plusieurs possibilités pour l'architecture de l'émetteur MBOOK à 60 GHz. Les critères ont été d'assurer un compromis performances, consommation. Une étude approfondie sur l'étude des imperfections de certains blocs critiques et l'impact sur l'impulsion transmise, et donc sur les performances du système ont été établies. Le banc de filtres, nécessaire à l'émission et à la réception, représente l'un des verrous, et nous proposons une solution de filtrage à base de lignes couplées. L'étude des solutions de génération d'impulsions, des étages de commutation, et des étages d'amplification de l'émetteur sont détaillées et discutées dans les deux derniers chapitresWith the current increasing market request concerning high speed data rates applications, the 60 GHz frequency bands seems to be one of the new promising alternatives for high data rate wireless communications. In this context, the development of new systems operating at these frequencies becomes a very attractive research subject. This study focuses on nomadic systems offering high data and reconfigurable rates, low complexity, low power consumption for short communications. One of the important tasks in the millimetre wave architecture design is to consider the channel propagation characteristics simultaneously with the technological performance of integrated circuits and antennas. This requires a co-design of the entire system. Therefore, we begun by studying the characteristics of the channel propagation channel at 60GHz according to the IEEE 802.15.3c and IEEE 802.11.ad models. This PHD thesis proposes a new transceiver architecture based on multi-band impulse mode, with On Off Keying modulation schema and non coherent receiver. This architecture is dedicated to nomadic systems offering high data and reconfigurable rates, low complexity, low power consumption for short communications. Analysis and performances for the proposed architecture are presented. More than 2 Gbps at 2 m are obtained. The imperfections of some critical blocks and their impact on the transmitted pulses were analysed and thus the performance of the system has been established. The potentiality of microstrip band pass filter bank presenting a constant relative bandwidth and reasonable insertion losses is presented in this study. The study of pulse generation solutions, switchers, amplification stages and antennas are detailed and discussed in the last two chaptersconstant relative bandwidth and reasonable insertion losses is presented in this study.The study of pulse generation solutions, switchers, amplification stages and antennas are detailed and discussed in the last two chapters.PARIS-EST-Université (770839901) / SudocSudocFranceF

Caractérisation du canal de propagation à 60 GHZ dans un environnement minier sousterrain

Les systèmes de communications sans fil font partie de notre vie quotidienne, notamment dans les environnements industriels, et ne cesse d'évoluer vers des supports d'applications qui sont de plus en plus gourmandes en bande passante. Cela se reflète par l'intérêt porté aux ondes millimétriques et plus précisément à la bande de fréquence 60 GHz. Offrant une bande de 7 GHz, elle représente la solution la plus intéressante pour satisfaire la demande croissante pour une largeur de bande accrue. La montée vers la gamme des ondes millimétriques permet d'offrir de nouvelles fréquences avec des largeurs de bande beaucoup plus importantes, avec des conditions de propagation très différentes. Les systèmes opérants dans cette bande de fréquence ont plusieurs avantages, notamment leur largeur de bande, leur très haut débit atteignant plusieurs Gbits/s et la possibilité de la miniaturisation des composants. Il s'agit, dans ce projet, de caractériser un canal de propagation à 60GHz dans un milieu minier souterrain afin de prédire les performances des futures solutions utilisant ces fréquences dans ce type d'environnement. Pour mener à bien ce travail, différentes campagnes de mesure ont été réalisées au sein de la mine et du laboratoire de CANMET. A partir des mesures obtenues, les paramètres pertinents, notamment les paramètres à grande échelle tels que l 'affaiblissement de parcours et à petite échelle tels que les paramètres de dispersion, sont analysés afin de caractériser le canal 60 GHz. La technique de mesure employée repose sur le sondage par balayage fréquentiel, exploitant un analyseur de réseau vectoriel