Canal de propagation 5G et mécanisme de contrôle d'intégrité : application à la localisation sûre des rames dans un tunnel - Laboratoire d'Electronique et Electromagnétisme Access content directly
Theses Year : 2018

5G Propagation channel and integrity control mechanism : Application to a reliable localization of trains in tunnels

Canal de propagation 5G et mécanisme de contrôle d'intégrité : application à la localisation sûre des rames dans un tunnel

Abstract

System level simulations are crucial in the development phase of any emerging wireless technology. It allows to identify the key factors that affect the transmission quality and to define the network limits. The used simulators must then be based on accurate and realistic channel models to better predict the system performances. In this context, several researches had been interested to the development of new models that take into account the emerging propagation scenarios introduced by the fifth generation of mobile communications (5G) that will be commercialized by 2020. In order to optimize the spectral and energetic resources use, the mobile terminals of this next generation should be constantly aware of their environment. This relies on the implementation of a location system, especially in constrained environments where satellite positioning systems are not available. In the field of transport, a rather recurrent example of these scenarios is that of tunnels. Although they are indoor environments, this type of environment is characterized by the phenomenon of wave guiding due to its geometric structure and the properties of the materials of its walls. Thus, an extension of the propagation models developed for the 5G systems is then necessary, in order to take into account this use case. We propose in this thesis a hybrid approach to reproduce the effect of the channel in a localization system. First, we calculate the propagation parameters by a ray-tracing simulator. It accurately describes the behavior of the radio waves inside the tunnel; nevertheless, it is expensive in terms of computing time. Then we analyze the obtained deterministic data to identify their statistical laws, and we store both of them in a database to stochastically generate the channel coefficients needed for our ranging system, namely the amplitude and the delay relative to each path. The impulse response of the channel will finally be used to estimate the distance between the two transmission antennas. Depending on the propagation conditions as well as the position of the receiver, three sources of error can compromise the accuracy of this distance. For a ranging system based on the time metric, they are related to the bandwidth, the detection threshold, and the obstruction of the direct path. The implementation of an integrity control mechanism seems to be a promising solution to improve the performance of our system. It then consists of identifying the outliers that do not meet the constraints imposed by the application, then excluding or correcting them according to the strategy adopted by the receiver. In this context, we propose to exploit the spatial diversity of a SIMO (Single Input Multiple Output) system with two reception antennas in order to identify the propagation conditions of the channel. The first step of our approach aims to increase the temporal resolution of the two impulse responses of the system. Being sparse, they are reconstructed in the frequency domain over a very wide band using a compressed sensing technique. Then we classify them according to a temporal criterion, which represents the time difference of propagation of the signal in each channel, and we obtain it by the inter-correlation of reconstructed impulse responses. The proposed approach not only improves the reliability of the ranging information in the tunnel, but also reduces the error related to the limited bandwidth of the system and the obstruction of the direct path. An experimental implementation of the ranging system based on OFDM signals gives rise to distance estimation errors at least six times lower than those reported by the classical approach, or even to those issued from other identification techniques based on statistical tests. This algorithm and the hybrid model of the channel are then the two major contributions of this thesis work [...]
Le développement de toute nouvelle technologie sans fil passe par une phase de simulation système, afin d’identifier les paramètres qui impactent la qualité de transmission et de définir les limites du réseau. Ces simulateurs doivent reposer sur des modèles de canaux précis et réalistes permettant de mieux prédire les indicateurs de performance du système. La future génération des réseaux mobiles 5G, en cours de standardisation pour un déploiement en 2020, n’en est pas une exception. Afin d’assurer une communication optimale en termes de ressources énergétiques et spectrales, la nouvelle génération des terminaux 5G doit être également en mesure de connaître en permanence son environnement. Cela repose sur l’implémentation d’un système de localisation, notamment dans les milieux contraints où les systèmes de positionnement satellitaires ne sont pas disponibles. Dans le domaine des transports, un exemple assez récurent est celui des tunnels. Ce type d’environnement est caractérisé par le phénomène de guidage d’onde dû à sa structure géométrique et des propriétés des matériaux de ses murs. Une extension des modèles de propagation développés pour les systèmes 5G s’avère nécessaire, afin de prendre en considération ce cas d’usage. Le modèle proposé dans le cadre de cette thèse adopte une approche hybride pour reproduire l’effet du canal dans une chaîne de localisation. Dans un premier temps, les paramètres de propagation sont calculés par un simulateur à tracé de rayons. Les données déterministes obtenues sont analysées afin d’identifier les lois statistiques qui les régissent. Cela permet de créer une base de données contenant pour chaque paramètre la distribution qui lui correspond. Cette dernière est utilisée pour générer d’une manière stochastique les coefficients du canal utiles à notre système de localisation, à savoir l’amplitude et le retard relatifs à chaque trajet. La réponse impulsionnelle du canal servira à estimer la distance entre les deux antennes de transmission. En fonction des conditions de propagation ainsi que de la position du récepteur, trois sources d’erreur peuvent compromettre la précision de cette distance. Elles sont liées à sa largeur de bande, son seuil de détection, et à l’obstruction éventuelle du trajet direct. L’implémentation d’un mécanisme de contrôle d’intégrité s’annonce comme une solution prometteuse pour améliorer les performances de notre système. Ce dernier consiste à identifier les mesures aberrantes ne répondant pas aux contraintes imposées par l’application, puis de les exclure ou les corriger en fonction de la stratégie adoptée par le récepteur. Dans ce contexte, nous proposons d’exploiter la diversité spatiale d’un système SIMO (pour Single Input Multiple Output) à deux antennes de réception afin d’identifier les conditions de propagation du canal. La première étape de notre approche a pour but d’augmenter la résolution temporelle des deux réponses impulsionnelles du système. Ces dernières sont reconstruites dans le domaine fréquentiel sur une très large bande grâce à une technique de « compressed sensing ». Elles sont ensuite classifiées selon un critère temporel. Celui-ci représente la différence des temps de propagation du signal dans chacun des deux canaux, et il est obtenu par l’intercorrélation des réponses impulsionnelles reconstruites. L’approche proposée permet d’améliorer la fiabilité de l’information de localisation dans le tunnel et de réduire l’erreur liée à la bande limitée du système et à l’absence du trajet direct. Une implémentation expérimentale de la chaîne de localisation basée sur des signaux OFDM donne lieu à des erreurs d’estimation de distance au moins six fois inférieures à celles reportées par l’approche classique, ou même à celles relatives aux autres techniques d’identification basées sur les tests statistiques. Cet algorithme constitue, avec le modèle hybride du canal, les deux contributions majeures de ce travail de thèse [...]
Fichier principal
Vignette du fichier
these_Skiribou_Camelia_2018.pdf (4.38 Mo) Télécharger le fichier
Origin : Version validated by the jury (STAR)
Loading...

Dates and versions

tel-02865510 , version 1 (11-06-2020)

Identifiers

  • HAL Id : tel-02865510 , version 1

Cite

Camelia Skiribou. Canal de propagation 5G et mécanisme de contrôle d'intégrité : application à la localisation sûre des rames dans un tunnel. Electromagnétisme. Sorbonne Université; Université Cadi Ayyad (Marrakech, Maroc), 2018. Français. ⟨NNT : 2018SORUS343⟩. ⟨tel-02865510⟩
170 View
688 Download

Share

Gmail Facebook X LinkedIn More