Modélisation statistique du canal de propagation Ultra Large Bande par l’analys
Modélisation statistique du canal de propagation Ultra Large Bande par l’analyse de mesures expérimentales Pascal Pagani*, Patrice Pajusco** * France Telecom Division Recherche et Développement, 4 rue du Clos Courtel, 35512 Cesson- Sévigné pascal.pagani@francetelecom.com ** France Telecom Division Recherche et Développement, 6 avenue des Usines, 90000 Belfort patrice.pajusco@francetelecom.com Résumé Afin de développer les futurs systèmes de communication Ultra Large Bande (ULB), une modélisation réaliste du canal de propagation est nécessaire. Cet article présente une étude expérimentale du canal radio ULB, basée sur une campagne de sondage complète réalisée en environnement intérieur de bureau. Nous présentons les caractéristiques principales du canal ULB en termes de pertes par propagation, puis de paramètres large bande, comme la dispersion des retards et la pente du profil puissance-retard. À partir de ces analyses, nous proposons un modèle de canal statistique qui permet de reproduire les effets du canal ULB sur la bande de fréquences 3,1 GHz - 10,6 GHz. Mots clés : Ultra Large Bande, propagation radioélectrique, sondage de canal, caractérisation, modélisation. Introduction L’Ultra Large Bande (ULB) est une technique de communication radio qui consiste à utiliser des signaux sur une très large bande de fréquences, typiquement de l’ordre de 500 MHz à plusieurs GHz. Cette particularité permet d’envisager des systèmes de communication à des débits de l’ordre 500 Mbits/s pour les applications en intérieur à courte portée [1]. En 2002, l’autorité de régulation américaine FCC a autorisé l’émission de signaux ULB dans la bande 3,1 GHz - 10,6 GHz [2]. Depuis, une intense activité de recherche académique et industrielle s’est organisée pour le développement de systèmes de communication ULB. Pour permettre la simulation et l’optimisation de tels systèmes dans des conditions réalistes, une bonne connaissance des propriétés du canal de transmission radio est primordiale. Un travail de recherche conséquent a déjà été réalisé dans ce domaine et un certain nombre de campagnes de mesures expérimentales ont été menées pour caractériser le canal de propagation ULB [3]. Par exemple, les groupes de travail IEEE 802.15.3a et IEEE 802.15.4a ont développé des modèles de canal ULB pour la simulation des systèmes proposés en normalisation [4,5]. On peut cependant remarquer que la plupart des analyses du canal de propagation ULB se basent sur des campagnes de mesures qui couvrent une partie seulement de la bande de fréquences allouée par la FCC aux émissions de signaux ULB. Ainsi, seules quelques expérimentations ont été dimensionnées pour sonder la 1 4 m Configuration couloir Configuration salle de réunion FIG. 1 – Positionnement des mesures lors de la campagne de sondage ULB. Les carrés bleus représentent les positions du récepteur, et les cercles rouges correspondent aux positions de l’émetteur . bande 3,1 GHz - 10,6 GHz dans sa globalité [6–11]. Cet article présente un travail de caractérisation et de modélisation du canal de propagation ULB basé sur une campagne de sondage complète réalisée en environ- nement intérieur de bureau. Une technique de sondage du domaine fréquentiel a été mise en œuvre, permettant la mesure sur la bande 3,1 GHz - 11,1 GHz. L’analyse statistique des données mesurées a permis d’étudier les principales caractéristiques du canal radio ULB. À partir de ces résultats expérimentaux, nous proposons un modèle statistique permettant de reproduire la Réponse Impulsionnelle (RI) du canal ULB sur toute bande partielle incluse dans la bande 3,1 GHz - 10,6 GHz. Nous présentons d’abord la campagne de mesure réalisée, ainsi que les problématiques liées aux antennes et à la calibration (section 1.). Les différentes analyses qui ont permis de caractériser les principaux paramètres radio ULB sont développées dans la section 2. En particulier, les pertes par propagation et la structure du profil puissance retard sont étudiées. Enfin, la section 3. décrit un modèle statistique de canal, qui pourra être mis en œuvre pour la simulation réaliste de systèmes ULB. 1. Campagne de sondage du canal ULB 1.1. Mise en œuvre expérimentale Afin de caractériser le canal de propagation radio ULB, une campagne de mesure a été réalisée en environne- ment intérieur de bureau typique, comme le présente la figure 1 [12]. Un analyseur de réseau vectoriel HP8510 a été utilisé pour sonder le canal radio sur la bande 3,1 GHz - 11,1 GHz, en utilisant une procédure classique de mesure du paramètre S21. Un total de 4005 fréquences porteuses ont été sondées, ce qui correspond à un retard maximal d’environ 500 ns sur les RIs mesurées. À l’émission (Tx) et à la réception (Rx), des antennes mono-coniques CMA 118 ont été utilisées. L’antenne Rx a été placée à une hauteur d’environ 2,3 m à deux positions : dans une salle de réunion et dans un couloir. L’antenne Tx a été fixée à une hauteur de 1,40 m sur un bras tournant, permettant ainsi de réaliser 90 mesures locales de la RI du canal autour d’un cercle de 40 cm de diamètre. Le bras tournant a été placé à plus de 120 positions, couvrant des situations de visibilité (en anglais Line-of-Sight, LOS) et de non-visibilité (en anglais Non Line-of-Sight, NLOS). Plus de 10 000 RIs ont ainsi été mesurées et ont servi de base à l’analyse statistique du canal radio ULB. Suivant la distance Tx-Rx, jusqu’à trois amplificateurs ont été insérés dans la chaîne de mesure. 1.2. Effet de l’antenne et calibration Toutes les mesures ont été calibrées en utilisant une mesure de référence, pour laquelle les ports d’entrée et de sortie de l’analyseur ont été directement connectés à l’aide des câbles de mesure. Lors de mesures du canal ULB, une attention particulière doit être observée concernant les antennes. Les antennes utilisées présentaient un diagrame de rayonnement omni-directionnel en azimut, mais nous avons pu constater des variations signi- ficatives du gain d’antenne en élévation. D’autre part, la forme globale du diagramme de rayonnement évolue considérablement lorsque la fréquence de travail varie de 3,1 GHz à 11,1 GHz. Il est donc nécessaire de caracté- riser précisément les antennes de mesure et les données expérimentales doivent être corrigées afin de supprimer 2 0.6 0.8 1 2 3 4 5 6 8 10 20 30 40 110 100 90 80 70 60 50 40 Distance (m) Atténuation (dB) LOS NLOS FIG. 2 – Pertes par propagation en fonction de la distance. Chaque point représente l’atténuation médiane dans la bande FCC. Campagne N σS (dB) de mesure LOS NLOS LOS NLOS France Telecom 1,62 3,22 1,7 5,7 Kunisch et al. [6] 1,58 1,96 Alvarez et al. [8] 1,4 3,2 à 4,1 Buehrer et al. [7] 1,3 2,3 à 2,4 2,8 à 3,6 2,8 à 5,4 Cassioli et al. [9] 1,92 3,66 1,42 2,18 ITU [13] 1,7 3,5 à 7 1,5 2,7 à 4 TAB. 1 – Comparaison de paramètres de pertes par propagation pour différentes analyses ULB. au mieux les effets de l’antenne. Pour notre analyse, le diagramme d’antenne a été mesuré en 3D tous les GHz entre 3 GHz et 10 GHz. Le spectre mesuré à l’analyseur a ensuite été ajusté en fonction du gain des deux antennes dans la direction principale Tx-Rx. Plus de détails sur cette procédure sont disponibles dans [12]. 2. Caractérisation expérimentale 2.1. Pertes par propagation Une première analyse concerne les pertes par propagation. L’atténuation en puissance du canal, observée sur la bande 3,1 GHz - 10,6 GHz est représentée en fonction de la distance Tx-Rx d pour l’ensemble des points de mesure dans la figure 2. Les pertes par propagation en dB PL ont ensuite été comparées à la formule théorique de la forme suivante par régression linéaire : PL(d) = PL(d0) + 10N log d d0 + S(d) (1) où N représente le coefficient de pertes par propagation et d0 est une distance arbitraire de 1 m. Le paramètre S tient compte des variations lentes du canal et est caractérisé par une moyenne nulle et par son écart-type σS. En situation LOS, le coefficient N a été évalué à 1,62 avec un écart-type σS de 1,7 dB. Dans la situation NLOS, les mesures sont quelques peu plus dispersées, avec un coefficient N = 3,22 et un écart-type σS = 5,5 dB. Les valeurs relevées pour PL(d0) sont respectivement 53,7 dB et 59,4 dB. Le tableau 1 compare nos résultats avec d’autres analyses réalisées sur des mesures couvrant la globalité de la bande de fréquences FCC. À titre de comparaison, les valeurs recommandées par l’insitut de normalisation IUT ont également été reportées [13]. Enfin, en étudiant l’atténuation du canal sur différentes bandes partielles, nous avons pu conclure que le chan- gement de la fréquence centrale se traduit par une atténuation supplémentaire en 20 log f f0 dans l’équation (1), où f est la fréquence de travail et f0 est une fréquence de référence. Plus de détails sur ces résultats sont disponibles dans [12]. 3 0 20 40 60 80 -50 -40 -30 -20 -10 0 Distance-retard (m) Puissance relative (dB) RI PDP 0 20 40 60 80 -50 -40 -30 -20 -10 0 Distance-retard (m) Puissance relative (dB) RI PDP (a) (b) FIG. 3 – PDP et réponse impulsionnelle typiques. Configurations LOS (a) et NLOS (b). uploads/Management/ pagani-modelisation-statistique-du-canal-de-propagation-ultra-large-bande.pdf
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- Publié le Oct 28, 2021
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