Time-Reversal UWB Wireless Communication-Based Train Control in Tunnel

This paper reports an evaluation of UWB radio technology and Time-Reversal (TR) technique in tunnel environments for train-to-wayside communication. UWB technology has the potential to offer simultaneous ground-totrain communication, train location and obstacle detection in front of the trains. Time-Reversal channel pre-filtering facilitates signal detection and helps reduce interference. Thus, UWB-TR combination provides a challenging, economically sensible, as well as technically effective alternative solution to existing signaling technologies used in urban transport systems. This paper deals with deterministic channel modeling and its characterization in tunnel environment. It reports simulation performance evaluation of UWB-TR combinations in the developed channel model

Etude et réalisation d'un système radar coopératif destiné aux systèmes de transport guidés

L'objectif de ce travail est de concevoir un système radar coopératif destiné à des métros automatiques. Le but est de réduire le temps de perte d'exploitation causé par un métro en panne. Le capteur a été séparé en deux couples d'émetteur-récepteur, un sur chaque rame. Le premier émetteur envoie le signal qui est reçu et renvoyé par le second couple. Enfin ce signal est reçu par le récepteur de la première rame. Le choix du capteur s'est orienté vers le radar à corrélation. Des algorithmes de calcul du retard basés sur les statistiques d'ordres supérieurs ont été testés. Ce système fonctionnant en tunnel, une étude de la propagation dans ce milieu a été menée. Le système a ensuite été simulé et testé dans son intégralité en espace libre et en tunnel. Le fait d'utiliser un système coopératif permet d'augmenter la portée de 150 m à 800 m, en espace libre. En tunnel, la portée est de 650 m, avec des performances convenables en terme de probabilités de détection et de fausses alarmes.The aim of this work is to design a cooperative collision avoidance radar system for automated people movers. The goal is to reduce the trading loss for broken down trains. The sensor was cut in to couples of transmitter and receiver assemblies. The transmitter part in the first couple sends the signal, which is received and transmitted again by the second couple. Then this signal is received by the first train. The choice for the sensor is the correlation radar system. Some delay estimation algorithms, based on higher order statistics, have been tested. As this system has to be operative in a tunnel, a study of the propagation of signals in such a place has been carried out. The full system has been simulated and tested in its working environment and in a free space propagation environment. The use of a cooperative radar system allows to improve the range of a radar from 150 m to 800 m. In the tunnel, the maximal distance is 650 m, with good performances in terms of detection.VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

Réseaux de capteurs sans fil (minimisation de la consommation d'énergie et application à la localisation de cibles)

Les réseaux de capteurs sans fil possèdent des potentialités intéressantes dans des segments de l'économie et dans notre vie courante, comme le contrôle et la préservation de l'environnement, la gestion des outils de fabrication et des outils commerciaux, l'automatisation des transports et les industries de la santé. La conception, l'implémentation et la mise en oeuvre d'un réseau de capteurs impliquent la collaboration de nombreuses disciplines. Ces réseaux possèdent souvent des ressources limitées en énergie, ce qui impose de concevoir la couche physique et les protocoles de communication de façon à consommer une énergie minimale. Dans ce travail, notre attention s'est focalisée sur la communication et la minimisation de la consommation, de même que sur la localisation d'une cible au sein d'un réseau de capteurs sans fil. Dans les trois premiers chapitres, nous présentons une synthèse rapide des réseaux de capteurs sans fil. Nous discutons de leurs avantages, inconvénients et champs d'application et de la notion de traitement collaboratif. Nous décrivons les principaux standards de communication utilisés ainsi que les protocoles de routage mis en œuvre. Dans le quatrième chapitre, nous présentons notre contribution à la minimisation de la consommation d'énergie lors du routage et au placement optimal des capteurs. Nos algorithmes sont étayés par des simulations et une comparaison est effectuée avec des résultats présentés dans la littérature. Le cinquième chapitre est consacré à l étude de la localisation d'une cible fixe. Cette présentation est complétée par notre contribution à l'élaboration du cahier des charges d'une expérimentationWireless sensor networks show promising potentialities in economical sectors and current life, as environment preservation and control, supervision of .manufacturing tools, transport automation and health industries. The design and implementation of sensor networks involve a number of scientific knowledges. The energy resources of these networks is generally limited, imposing constraints on the design of the physical layer and communication protocols.In this work, our attention is focused on communication and energy consumption minimization, together with target localization using wireless sensor networks. In the first three chapters, a synthesis of wireless sensor networks field is presented. We discuss about their advantages, drawbacks and application areas and introduce collaborative processing. We describe the most used communication standards and routing protocols. In fourth chapter, we present our contribution to energy consumption minimization in the routing process and to optimal sensor nodes positioning. Our algorithms are supported by simulations and a comparison with results published in the litterature. The fifth chapter is devoted to the study of fixed target localization. This presentation is complemented by the preparation of an experimentation planVALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

Conception et modulation d'un système de communication multi-utilisateurs basé sur la technique Ultra Large Bande

La technologie Ultra Large Bande est une technique de modulation radio basée sur l'émission d impulsions de très courte durée assurant une transmission (sans porteuse) robuste dans un canal multi trajets dense avec un débit important et une bonne résolution. Elle offre une bonne et unique opportunité pour hybrider les fonctionnalités de localisation et de communications numériques sans fil. Les technologies de transmission et de localisation actuellement mises en œuvre ne permettent d atteindre ni une précision de localisation suffisante, ni de réaliser une communication à débit moyen avec une portée importante. L objectif du travail est d explorer une technique basée sur des nouvelles formes d ondes de Gegenbauer modifiées (MGF), assurant l accès multiple pour des applications de détection d obstacles (radar), de positionnement (dans les zones non couverte par le GPS) et de transmission de données pour les transports terrestres. Le système multi-bandes ultra large bande proposé dans cette thèse doit exploiter efficacement le gabarit de puissance imposé par les organismes internationaux comme la FCC et l ETSI.The Ultra Wide Band technology is a radio modulation technique based on the transmission of very short pulses transmission (carrier less). This technique allows robust transmission in severe multi-paths channel environments, with high rate data flow and good resolution. It offers a good and single opportunity for simultaneous functionality of localisation and communication. The current technologies for transmission and localization don t ensure a good precision of localization, neither communication with medium flow rate and long range. Our objective is to explore a technique based on new waveforms of Modified Gegenbauer Functions (MGF) waveforms for applications to obstacle detection (radar), localisation (in the zones non covered by the GPS) and communication for guided transports. The multiple access multi-bands Ultra Wide Band system should moreover exploit optimally the spectral masks UWB imposed by FCC and ETSI.VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

Egalisation aveugle utilisant des techniques d'optimisation évolutionistes et de recherche exhaustive par motifs généralistes

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Application des ondelettes dans les récepteurs de systèmes radiomobiles à grande efficacité spectrale

La gestion du haut débit passe par l utilisation de modulations à grande efficacité spectrale, comme les QAM. Ceci s accompagne d une augmentation des interférences entre symboles, des erreurs de transmission, de la dynamique des signaux (non-linéarité des amplificateurs), de la complexité des techniques de synchronisation, soit au final de la complexité et du coût du récepteur. Les ondelettes sont susceptibles de se substituer à l analyse de Fourier pour l étude de la quasi-totalité des signaux physiques. Les algorithmes implémentants la transformée en ondelettes discrètes sont d ailleurs plus rapides que la TFR ( Transformée de Fourier Rapide). Cependant, la théorie des ondelettes a du mal à s imposer dans le monde des télécommunications numériques. Le but de cette thèse est d introduire les ondelettes dans divers traitements effectués dans les récepteurs QAM : la démodulation des signaux reçus, l estimation de leur puissance et la synchronisation. Le chapitre 1, La transformée en ondelettes , présente brièvement l analyse par ondelettes. Le chapitre 2, Les modulations QAM : La récupération de la porteuse , expose le problème de la récupération de la porteuse. Le chapitre 3, La démodulation par ondelettes , expose une méthode de démodulation des signaux QAM, établit l équivalence avec la modélisation en bande de base et décrit un détecteur aveugle de puissance. Le chapitre 4, La récupération de la porteuse par ondelettes , expose une méthode d identification des modulations QAM, qui permet d activer le détecteur de porteuse proposé par la suite. Nous terminons par une conclusion et proposons également des voies de réflexion pour l évolution future de nos travaux.High speed access resorts to high spectral efficiency modulations, like QAM ones. This leads to a joint increase in inter-symbol interferences, transmission errors. Signal dynamics (amplifier non-linearities), complexity of receiver synchronization techniques and, finally, complexity and cost of receivers. The wavelets may be substituted to Fourier analysis in the study of almost all physical signals. The discrete wavelet transform algorithms are even faster than the fast Fourier transform (FFT). Despite, the wavelet theory grows on very slowly in the digital communication field. The purpose of this thesis is to introduce wavelet processing in various QAM receivers functions, like the demodulation of received signal, the estimation of their power and synchronisation. In chapter one, Wavelet transform , the signal analysis using wavelets is briefly presented. In chapter two, QAM modulations : recuperation of the carrier , the problem of carrier synchronization is exposed. In chapter three, Wavelet demodulation , a method for QAM signal demodulation is proposed, the equivalence with base-band modelling is established and a blind power detector is developed. In chapter four, Carrier recuperation using wavelets , a method for discrimination between various QAM modulations is described, which enables the activation of the carrier detector suggested afterwards. We terminate with concluding remarks and some propositions for our future researchVALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

Amélioration de l'efficacité spectrale d'un système OFDM et applications

Des études de marché récentes montrent que le trafic des systèmes de radiotéléphonie de 3ème génération (UMTS) sera dominé par les services asymétriques de type multimédia. D'après une étude faite par le RNRT, le système COFDM, permet d'atteindre un débit de 6 Mbits/s sur une bande de 5 MHz.Dans ce contexte spécifique, le présent travail vise à étudier l'utilisation d'une nouvelle modulation multi-porteuses, avec une fonction de mise en forme des porteu-ses du multiplex fréquentiel, différente du sinus cardinal classique.L'étude théorique, ainsi que la faisabilité d'un tel système, notamment l'implémentation à l'aide de compo-sant programmables ont été réalisé. L'efficacité spectrale du système proposé a été comparée à celle du système clas-sique.Des applications dans le domaine des transports uti-lisant des canaux fortement perturbés par l'effet Doppler sont présentées en fin de mémoire, ainsi qu'une utilisa-tion avec un système Ultra Large BandeRecent market studies show that the traffic of 3rd generation radiotelephony systems (UMTS), will be dominated by the asym-metrical multimedia services. According to a study made by the RNRT, COFDM system enables a data rate of up to 6 Mbits/s in 5 MHz band. In this specific context, this work aims at studying a new multicarrier modulation, with a baseband signaling wave-forms, different from the traditional cardinal sine one. The proposed system is studied theorically, together with the fea-sibility of its implementation using programmable components. The spectral efficiency of the suggested system is compared with that of the traditional system. Applications in transpor-tation area, with communication channels strongly disturbed by Doppler effect, are presented at the end of the report, as well as a use with a Ultra Wide Band systemVALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

Etude et implémentation d un radar Ultra Large Bande pour la détection et la reconnaissance d obstacles en milieu routier

Après avoir privilégié la puissance et le confort des véhicules, les constructeurs automobiles, au vu de l augmentation du nombre d accidents et de morts sur la route, sont maintenant attentifs à la sécurité. Ceci explique l introduction de systèmes de sécurité intelligents, basés sur des capteurs chargés de la perception de l environnement. Dans cette thèse, l accent est mis sur l aspect détection d obstacles dans l environnement proche du véhicule. Le capteur radar est un candidat idéal, car fonctionnant dans des conditions climatiques variées. La nouvelle technologie Ultra Large Bande (ULB) offre plusieurs avantages : détection d obstacles performante, mesure de distances ou de positions avec une résolution remarquable, coût raisonnable. L objectif de cette thèse est de concevoir un radar ULB pour détecter les obstacles à courte portée sur la route et en calculer la distance au véhicule avec une précision élevée. Dans cette optique, les formes d ondes ULB sont étudiées et comparées avec comme critères l adéquation à notre application et une réception simple, plus rapide et plus efficace. L aspect multi-utilisateurs est abordé, pour minimiser les interférences. Les récepteurs adaptés au système sont étudiés et des algorithmes réduisant l effet du bruit gaussien, basés sur les Statistiques d Ordres Supérieurs (SOS), sont proposés et testés. Le radar permet également de reconnaître les obstacles détectés et d éliminer ceux ne représentant pas de danger lors du suivi d obstacles. Un prototype radar ULB est réalisé et validé et les Caractéristiques Opérationnelles du Récepteurs (COR) sont évaluées.After privileging mechanical power and comfort of vehicles, automotive operators, considering the constant increase of accidents and deaths along the roads, are now involved in security. This explains the introduction of intelligent security systems, based on sensors giving a perception of the environment. In this thesis, emphasis is put on obstacle detection near the vehicle. The radar sensor is an ideal candidate, for it functions in various climatic conditions. The new Ultra Wide Band (UWB) technology offers several advantages: high performance obstacle detection, high resolution distance and position measurement, reasonable cost. The aim of this thesis is to design an UWB radar for low range obstacles detection and measuring precisely their distances to vehicle. For this purpose, the UWB waveforms are studied and compared with the criterions of system adequation to our application and a simple, faster and more efficient reception. The multi-users features are treated, for minimizing interferences. The receivers matched to our system are studied and algorithms for Gaussian noise effects reduction, relying upon Higher Order Statistics (HOS), are established and tested. The radar allows also recognizing detected obstacles and suppressing the non-harmful ones in the obstacle following phase. A radar prototype is built and validated, and the Receiver Operational Characteristics are evaluated.VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF

Etude et réalisation d'un système de communication et de localisation, basé sur les techniques d'étalement de spectre, dédié aux transports guidés

L objectif de ce travail est de concevoir un système de communication et de localisation destiné à des métros automatiques guidés afin d améliorer leur exploitation et d accroître la sécurité. La principale application du RADAR est de réduire le temps de perte d exploitation causé par un métro en panne, en permettant au train suivant de connaître en temps réel la distance le séparant de celui qui est immobilisé. Le capteur est du type radar coopératif constitué de deux couples d interrogateurs répondeurs équipant l avant et l arrière de chaque train et formant ainsi une boucle complète. Le choix du capteur s est orienté vers le radar à corrélation, car il maximise le rapport signal à bruit en sortie. Des techniques de multiplexage originales à étalement de spectre ont été développées afin de combiner la fonction de localisation et l établissement d une communication avec le même capteur. Une des caractéristiques de ce système est qu il est amené à fonctionner en tunnel et en espace libre. D où le choix des têtes hyperfréquences proposées. La chaîne de transmission/réception a ensuite été simulée dans son intégralité et dans son environnement de fonctionnement afin de valider les choix techniques opérées. Finalement, nous avons présenté des solutions d implémentation des algorithmes de traitement sur une plateforme de développement de type FPGA. Un prototype a été réalisé et les premiers tests ont été menés en espace libre. Les résultats obtenus montrent qu une portée de l ordre de 700 m peut être atteinte. Les techniques de multiplexage que nous avons proposées permettent d établir une communication avec des débits variables suivant la technique de multiplexage. Ils peuvent prendre les valeurs (97kb/s,1,6Mb/S, 5,4Mb/s et 11,27Mb/s).The aim of this work is to design a localization and communication system dedicated to guided automatic trains in order to enhance their exploitation and to increase their reliability. The principal function of this radar is to reduce the lost exploitation time caused by a broken-down train to allow the following train to estimate in real time the distance between them. The sensor is a cooperative radar composed by two couples of interrogators transponders which equip the front and the rear of each train following a complete loop. The choice of the sensor type is directed towards the correlation radar, because it maximizes the output signal to noise ratio. Some original multiplexing techniques based on spreading spectrum have been developed to combine the localization and the communication functions inside the same device. This system must be able to work on open area and also in tunnel. The choice of Hyperfrequency front-ends has been done following this important characteristic. The whole system (Transmitter/Receiver) have been simulated in real conditions in order to validate the selected technical choices. Finally, we present some solutions to implement the computing algorithms on a FPGA devices. A mock-up has been realized and the first tests have been carried out on open area. The obtained results show that a range of about 700m could be reached. The proposed multiplexing techniques allow the system to establish a communication with different data rates among (97kb/s, 1.6Mb/S, 5.4Mb/s and 11.27Mb/s).VALENCIENNES-BU Sciences Lettres (596062101) / SudocSudocFranceF