sylvain collonge soutenance de doctorat 17 décembre 2003

Caractérisation et modélisationde la propagation des ondes électromagnétiques à 60 GHzà l’intérieur des bâtiments

Sylvain CollongeSoutenance de doctorat

17 décembre 2003

2

Plan de l’exposé Contexte de l’étude Caractérisation du canal Modélisation du canal Recommandations et perspectives Conclusion

3

Plan de l’exposé Contexte de l’étude

Les télécommunications sans fil Les réseaux locaux sans fil Les ondes millimétriques Le projet RNRT Commindor

Caractérisation du canal Modélisation du canal Recommandations et perspectives Conclusion

4

Télécommunications sans fil

Contexte de l’étude

5

Enjeux actuels Atteindre les débits des réseaux câblés

Dépasser les 100 Mbit/s

Assurer la compatibilité entre réseaux (ATM, IP, 3G, etc.)

Supporter tout type de services Flux vidéo, audio, images, textes, données

Garantir la sécurité et la qualité de service Assurer une configuration transparente

Contexte de l’étude

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Réseaux locaux sans fil (WLAN)

Sans fil : souplesse d’utilisation Équipements mobiles ou nomades

Déploiement : intérieur des bâtiments Zones d’intense activité (gares, hôtels, …) Réseaux d’entreprises Réseaux domestiques

Complémentarité avec les réseaux radiomobiles WLAN : faible mobilité, haut débit, faible couverture Radiomobile : forte mobilité, faible débit, grande couverture

Contexte de l’étude

7

Les ondes millimétriques Ressources spectrales : denrée rare Haut débit : larges bandes nécessaires Éviter l’interférence entre réseaux proches

Montée en fréquence

Intérêt des ondes millimétriques : Larges bandes disponibles Réutilisation des fréquences facilitée Compacité des équipements

Contexte de l’étude

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Le projet Commindor (99-02)

Objectifs : étude sur la faisabilité de réseaux domestiques sans fil à 60 GHz assurant un débit de plus de 155 Mbit/s

Applications visées : interconnexion d’équipements multimédia grand public

Verrous scientifiques, technologiques et économiques :

Étude de la propagation à 60 GHz en milieu domestique Optimisation de la topologie réseau et de la couche système Conception et technologies millimétriques bas coût

Contexte de l’étude

9

Objectifs de l’étude Constat

Intérêts pour des applications à 60 GHz Peu d’études complètes du canal à 60 GHz Besoin de modèles fiables, basés sur des mesures

Apports de l’étude : Mieux connaître les spécificités du canal à 60 GHz Permettre des simulations systèmes réalistes Enrichir les réflexions sur les architectures réseaux

Contexte de l’étude

10

Plan de l’exposé Contexte de l’étude Caractérisation du canal

Présentation des campagnes de mesure Influence de l’activité humaine Influence de l’emplacement et du type des antennes Bilan des difficultés et propositions de solutions

Modélisation du canal Recommandations et perspectives Conclusion

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Démarche Campagnes de mesure sur site

5 campagnes de mesure 3 environnements

Paramètres étudiés Influence de l’activité humaine Influence de l’emplacement des antennes Influence des caractéristiques des antennes Influence du mobilier

Caractérisation du canal -> présentation des campagnes de mesures

12

Système de mesure à 60 GHz

Sondeur de canal (développé par l’IETR) Basé sur la technique de Cox Résolution temporelle : 2.3 ns Fenêtre d’observation : jusqu’à 1 µs Doppler observable : plusieurs kHz Puissance émise : 0 dBm Dynamique relative : 40 dB

Antennes :

CornetsOuverture à –3 dB: 10°Gain : 22.4 dB

PatchesOuverture à –3 dB: 58°Gain : 4.2 et 1.6 dB

Caractérisation du canal -> présentation des campagnes de mesures

13

Propagation à 60 GHz Difficulté majeure : perte de la visibilité

Le corps humain est un obstacle à 60 GHz Risque de coupures des liaisons

Les liaisons entre pièces s’avèrent difficiles Réduction de la couverture des réseaux

Comment mesurer ces difficultés ? Quelles solutions apporter ?

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Influence de l’activité humaine

Caractérisation du canal -> Influence de l’activité humaine

Mesures à long terme : séries de 42 minutes Antennes fixes (3 emplacements, 3 associations d’antennes) Activité humaine naturelle

(0 à 15 personnes) Utilisation d’une caméra vidéo

Environ 20h de mesure au totalTx1

0 pers.

1-5 pers.

6-10 pers.

11-15 pers.

CC 55 min

141 min

62 min 6 min

PC 33 min

92 min 56 min 15 min

PP 23 min

113 min

22 min 4 min

15

Phénomène d’obstruction

Caractérisation du canal -> Influence de l’activité humaine

Antenne Rx (cornet) Profil de puissancede la réponse impulsionnelle

-90 dBm

-80 dBm

-70 dBm

20 30 40 50 60 70 ns

Antenne Tx (patch)

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Caractérisation du phénomène

Caractéristiques : Non stationnarité Large bande

Description :Niveau constant (Aref)+ Variations lentes+ Pics d’atténuations

Quantification : Seuil de détection Franchissement du seuil Définition de caractéristiques

Caractérisation du canal -> Influence de l’activité humaine

A(t) : variation temporelle de l’atténuation

17

Définition des obstructions

Caractérisation du canal -> Influence de l’activité humaine

Moments de franchissementTdobs et Tfobs

Durée de l’obstructionDobs = Tfobs - Tdobs

Amplitude moyenne3 ( )

A

A

Tf

obsobs Td

A A t dtD

3

3

obsA obs

obsA obs

DTd Td

DTf Td

Temps de montéePente en dB/s

Pseudo-période( ) ( 1) ( )obs obs obsI n Td n Td n

18

Séries d’obstructions

Caractérisation du canal -> Influence de l’activité humaine

Observations : Obstructions proches A(t) > Aref entre obstructions

Séries d’obstructions

Caractéristiques : Durée Amplitude Pseudo-période Temps de montée

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Résultats statistiques Durée :

Augmente avec le nombre de personnes dans l’environnement Peu d’influence du type d’antenne Valeurs médianes typiques :

100 ms (1-5 personnes) 150 ms (6-10 personnes) 300 ms (11-15 personnes)

90e percentiles : 1.5 s (1-5 personnes) 3.0 s (6-10 personnes) 10.0 s (11-15 personnes) Amplitude :

Ne dépend pas du nombre de personnes Antenne cornet : ~ 80% des séries sont > 15 dB Antenne patch : ~ 50% des séries sont > 15 dB

Caractérisation du canal -> Influence de l’activité humaine

20

• Définition :

Pour les séries d’obstructions > 20 dB :• Résultats bruts :

1-5 personnes : 0.5 – 2.5 %6-10 personnes : 1.0 – 6.0 %

• Résultats corrigés (élimination des valeurs extrêmes) :1-5 personnes : 0.5 – 2.0 %6-10 personnes : 1.0 – 2.5 %

Indisponibilité du canalTI

DserieDmesure

Caractérisation du canal -> Influence de l’activité humaine

21

Bilan Travail effectué

Proposition d’une méthodologie pour quantifier le phénomène d’obstruction par le corps humain Constitution d’une base de données de mesure importante

Résultats : Corps humain = obstacle à 60 GHz

Atténuation supplémentaire forte Dserie >> Durée des symboles

Insuffisance des systèmes classiques de traitement des variations temporelles (entrelacement temporel, codage,…) Forte probabilité de coupure des liaisons Nécessité de tirer parti d’une diversité

Caractérisation du canal -> Influence de l’activité humaine

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Diversité ?Diversité fréquentielle ?

Le phénomène d’obstruction est large bande

Diversité de polarisation ? Les polarisations sont affectées de manière similaire

Diversité spatiale ? Obstructions simultanées sur des antennes séparées de quelques longueurs d’onde

Caractérisation du canal -> Difficultés et solutions proposées

Diversité angulaire ? Condition nécessaire : variété des angles d’arrivée

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Propagation multi-pièce

Contribution très rare du trajet direct Répartition angulaire de la puissance plus diffuse Importance des « ouvertures électromagnétiques » (portes…)

Caractérisation du canal -> Propagation multi-pièce

24

Influence des antennes (LOS)

Patch : Sélectivité fréquentielle faible sur un secteur unique et large autour de la direction du trajet direct

Cornet : Sélectivité fréquentielle faible sur plusieurs secteurs angulaires étroits

Caractérisation du canal -> Influence de l’emplacement et du type d’antenne

Trajetdirect

25

Influence des antennes (NLOS)

Patch : Sélectivité fréquentielle forte (bande de cohérence <100 MHz)

Cornet : Sélectivité fréquentielle faible sur plusieurs secteurs angulaires étroits

Caractérisation du canal -> Influence de l’emplacement et du type d’antenne

26

Bilan Configurations mono-pièce

Importance du trajet direct Sélectivité fréquentielle similaire avec cornet et patch Avantage du patch : pointage intuitif Avantage du cornet : plusieurs angles d’arrivée

Configurations inter-pièce Importance des ouvertures Avantage du cornet :

Gain, faible sélectivité fréquentielle Plusieurs angles d’arrivée

Inconvénient du cornet : Pointage précis nécessaire

Diversité angulaire possible avec des antennes directives

Caractérisation du canal -> Influence de l’emplacement et du type d’antenne

27

Modélisation du canal Contexte de l’étude Caractérisation du canal Modélisation du canal

Modélisation de l’atténuation Modélisation des variations temporelles Modélisation spatio-temporelle

Recommandations et perspectives Conclusion

28

Modélisation de l’atténuation

mod modGE modME modPE supplA A A A A

22modGE

Tx Rx

f dAc G G

Composante « grande échelle » :

est issu des mesures

supplA Atténuation supplémentaire en situation de non-visibilité(issue des mesures)

Composante « petite échelle » :modPEALoi gaussienne centrée avec un écart-type issu des mesures

Composante « moyenne échelle » : modMEALoi gaussienne centrée avec un écart-type issu des mesures

Modélisation du canal

29

Modélisation de l’atténuation

Modélisation du canal

30

Variations temporellesParamètres issus desmesures : Temps de montée Amplitude Durée Temps de descente Pseudo-période

Modélisation du canal

31

Principes Déterminer les lois de densité de probabilité des paramètres

en fonction de l’activité humaine en fonction des antennes utilisées en fonction des situations de visibilité

Générer des « profils de variations » de l’atténuation à partir de ces lois

Modélisation des variations temporelles du canal

32

Méthode Sélectionner plusieurs lois de probabilité

connues Approche « visuelle »

Vérifier la conformité des fonctions de distribution cumulatives (FDC) empiriques

Utilisation du test de Kolmogorov-Smirnov (KS)

Choisir la loi qui décrit au mieux la loi empirique Utilisation d’un critère de qualité issu du test KS

Modélisation des variations temporelles du canal

33

Résultats Durée :

loi lognormale « par morceaux » Pseudo-période :

loi lognormale « par morceaux » Amplitude :

loi gaussienne Temps de montée et de descente :

loi lognormale « par morceaux »

Modélisation des variations temporelles du canal

34

Modélisation « par morceaux » (1/3)

Modélisation des variations temporelles du canal

Constats : Échec du test KS pour certaines configurations

Au-dessus du 80e

percentile, écart entre FDC empirique et FDC théorique

35

Modélisation « par morceaux » (2/3)

Solution envisagée : Approcher séparément deux zones de la FDC empirique

1re zone : L% valeurs les plus faibles

2e zone : valeurs restantes (les plus fortes)

Deux lois sont obtenues : densités de probabilité f1 et f2

Une loi globale, dite « par morceaux », est recomposée à partir de f1 et f2 :

% %1 2 1 2 1 1 1 2 2 2( | , , , ) ( | , ) (1 ) ( | , )

100 100L Lf x f x f x

Modélisation des variations temporelles du canal

36

Modélisation « par morceaux » (3/3)

Modélisation des variations temporelles du canal

Résultats : Pour toutes les configurations :

f1 et f2 passent le test KS

f passe le test KS

La qualité du test KS augmente

37

Résultats du modèle Écart mesure/simulation :

Atténuation et temps de montée : ~3% (LOS), ~5-6% (NLOS)

Durée et pseudo-période : LOS : ~6% NLOS : ~5% (Pseudo-période), ~10% (Durée)

Améliorations possibles : Simuler les obstructions à l’intérieur des séries Étudier l’effet mémoire éventuel entre obstructions

Modélisation des variations temporelles du canal

38

Modélisation spatio-temporelle But : modéliser la réponse impulsionnelle

h(,)

Approche statistique

Modèle de Spencer Basé sur le modèle de Saleh & Velenzuela

Modélisation du canal

39

Modèle de Saleh & Valenzuela

Groupement des trajets

Puissance moyenne des groupes et des trajets : décroissance exponentielle paramètres : et

Nombre de groupes et de trajets : processus de Poisson paramètres : et

Modélisation spatio-temporelle du canal

40

Modèle de Spencer Domaine retard : Saleh & Valenzuela

Domaine angulaire : Même phénomène de groupes

Groupes : répartition uniforme sur [0,2[ Trajets : distribution Laplacienne autour de

l’angle moyen des groupes Hypothèse : indépendance retards-angles

Modélisation spatio-temporelle du canal

41

Adaptation du modèle Validation de l’ensemble du modèle, sauf :

Distribution gaussienne des angles d’arrivée au sein des groupes

Variations lognormales de la puissance des trajets autour de la moyenne

Complément : algorithme de détection des groupes de trajets Absent dans les modèles S&V et Spencer

Modélisation spatio-temporelle du canal

42

Détection des groupes

Modélisation spatio-temporelle du canal

Traitement préliminaire : Détection des trajets

Détection des maxima locaux significatifs

Angles (°)

Retards(ns)

Puissancereçue (dBm)

43

Réflexions préliminairespour un algorithme

Modélisation spatio-temporelle du canal -> détection des groupes de trajets

Trajets puissants en début de cluster Structure itérative traitant les trajets selon leur puissance

Nécessité de séparer les trajets en clusters Critère sur la distance dans le plan angles-retards

Étalement en retard plus important qu’en angle Déformation de la topologie du plan angles-retards

Principe de l’algorithme : détecter les débuts de cluster et y associer les trajets proches pour former les clusters

44

Structure itérative

Modélisation spatio-temporelle du canal -> détection des groupes de trajets

1re itération(7 trajets)2e itération(18 trajets)3e itération(35 trajets)4e itération(77 trajets)

45

Structure de l’algorithme

Modélisation spatio-temporelle du canal -> détection des groupes de trajets

Itération 1 : repérage des premiers débuts de clusters

Itération 2 à 4 : Formation de groupes à partir des débuts de clusters existants Pour chaque groupe : repérage des trajet qui ne peuvent manifestement pas faire partie du groupe Parmi tous ces trajets « isolés », repérage de nouveaux débuts de clustersItération 5 : rattachement de chaque trajet au début de clusters le plus proche

46

Identifier les débuts de cluster

Itération 1 : 7 trajets

Modélisation spatio-temporelle du canal -> détection des groupes de trajets

3 groupes 3 débuts de clusters

Distances entre trajets Hiérarchisation des distances Application d’un seuil

47

Identifier les débuts de cluster

Itération 2 : 18 trajets Association des trajets aux débuts de clusters existants Formation de groupes Pour chaque groupe :

Hiérarchisation Séparation des trajets isolés qui deviennent des débuts de clusters potentiels

Modélisation spatio-temporelle du canal -> détection des groupes de trajets

Hiérarchisation des clusters potentiels +3 débuts de cluster

48

Formation finale des clusters

Itération 5 : 77 trajets7 clusters

Modélisation spatio-temporelle du canal -> détection des groupes de trajets

49

Recommandations et perspectives Contexte de l’étude Caractérisation du canal Modélisation du canal Recommandations et perspectives

Réflexions sur l’architecture des réseaux Perspectives de travail

Conclusion

50

Architectures réseaux Scénario 1

Couverture mono-pièce Qualité de service acceptable

Scénario 2 Couverture mono/multi-pièce Qualité de service bonne

Scénario 3 Couverture multi-pièce Qualité de service bonne

Recommandations

51

Réseau centralisé Point d’accès au plafond

Réduction partielle des obstructions

Antennes sectorielles, pointées manuellement vers le point d’accès (comme pour les équipements infrarouges)

Pas de sélectivité fréquentielle

En cas d’obstruction : Retransmission des données

Avantage : faible complexité Problème : faible QoS

(pas de transmissions en temps réel…)

Scénario 1

Recommandations

52

Scénario 2 Réseau distribué (« ad-hoc » ou « mesh network »)

Déploiement facilité (moins de câblage)

Diversité angulaire en azimut et élévation pour éviter les obstructions Antennes omnidirectionnelles + traitement des multi-trajetsou Antennes multi-sectorielles + traitement d’antennes

Avantages potentiels : Aucune obstruction Couverture multi-pièce

Problème : complexité et coût des antennes notamment

(vue de dessus)

Recommandations

53

Scénario 3

Diversité angulaire

+ diversité de site

Masquage

Diversité de site et angulaire

NLOS

Réseau distribué Diversité angulaire

Antennes multi-sectorielles + traitement d’antennes Couverture multi-pièce si antennes assez directives (10-40°)

Diversité de site Couverture augmentée(si assez d’équipements) Puissance émise réduite(liaisons plus courtes)

Avantage : couverture du réseau Problème : complexité + coût

Équipements 60 GHz

Recommandations

54

Perspectives de recherche Caractérisation angulaire dynamique du canal

Sondeur de canal multi-capteur Enrichissement des modèles déterministes Optimisation des modèles développés

Affiner le modèle temporel Optimiser l’algorithme de détection des groupes

Utilisation de ces modèles pour des simulations systèmes Études sur les antennes multi-sectorielles Études sur les protocoles de réseaux Comparaison avec d’autres techniques (ULB notamment)

Coût et performances

55

ConclusionTravail réalisé : Caractérisation de l’influence de paramètres peu étudiés Méthodologie d’analyse de l’influence de l’activité humaine Constitution d’une base de données de mesure conséquente Exploration d’un type d’environnement peu caractérisé à 60 GHz Proposition de modèles de la propagation à 60 GHzRésultats : Analyse précise des deux spécificités des ondes millimétriques :

Difficultés à réaliser des liaisons multi-pièces Fortes atténuations causées par les corps humains La directivité des antennes permet des liaisons haut débit en situation de

visibilité ou non Recommandations pour les architectures des futurs réseaux à 60

GHz

Caractérisation et modélisationde la propagation des ondes électromagnétiques à 60 GHzà l’intérieur des bâtiments

Sylvain CollongeSoutenance de doctorat

17 décembre 2003

57

Environnements de mesure

Caractérisation du canal -> présentation des campagnes de mesures

58

Scénarios de mesureParamètre 1 : Emplacement des antennes Propagation en visibilité directe (mono-pièce) Propagation sans visibilité directe (multi-pièce, inter-étage)

Paramètre 2 : Type d’antennes Hauteur :

Type « réseau centralisé » : Tx: 2.20m, angle de la pièce principale, pointée vers le sol

Type « réseau distribué » : Tx and Rx at the same height (1.20m)

Types : Patch / Patch, Patch / Cornet et Cornet / Cornet Polarisations : H / V

Caractérisation du canal

59

Scénarios de mesureParamètre 3 : Activité humaine Mesures à court-terme (<1min)

1-2 personnes Déplacements prédéfinis

Mesures à long-terme (séries de 40 min) Jusqu’à 15 personnes Activité naturelle

Paramètre 4 : Mobilier Effet « Large échelle » :

Mesures dans un environnement meublé et vide Effet « Petite échelle » :

Ajout de quelques éléments de mobilier

Caractérisation du canal

60

Procédure de mesureAngles d’arrivée : Rotation sur 360° de l’antenne Rx :

Cornet : 60 points, pas de 6° Patch : 30 points, pas de 12°

Tronçon linéaire : 10 points, pas de 1

Angle d’élévation nul en RxÉvanouissements et pertes en distance : Antennes pointées l’une vers l’autre Tronçon linéaire

Longueur : de 4 à 80 Pas : de /4 à

Canal variant en temps : Antennes fixes, pointées l’une vers l’autres

Caractérisation du canal

61

Environnement de mesure 1

Centre de LoisirsÉducatifs (CLE)

62

Buildings materials

1 2

( Horn antennas )

Measurement method :

Results :• Breeze blocks (23 cm) : ~66 dB (V polarization)

~60 dB (H polarization)• Brick + plaster (17 cm) : ~36 dB (V polarization)

~41 dB (H polarization) • Wooden door (4 cm) : ~15 dB (V & H)• Window (double-glazing) : ~6 dB (V & H)

… Major results Antennas types and locations

63

Couverture radioSimulations par lancer de rayons(À partir des mesures de matériaux réalisées sur site) Montre l‘importance du diagramme d’antenne et du pointage

Source : Siradel

Antenne omnidirectionnelle

Cornet pointé vers l’émetteur

Cornet pointé dans la direction du maximum de puissance reçue

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« PC multimédia », PC portable, + radio/TV…

Téléphone portable, + appareil photo, …

+ télécommande, …

« Smart objects »

Réseaux locaux Internet Internet sans fil

Sans fil Accès Internet

TV câblées Interactivité

« Tout connecté »« Tout sans fil »

Tendances historiquesOrdinateur outil de traitement/calcul données : texte/nombre non connecté

Téléphone outil de communication données : voix réseau câblé

Télévision / Radio outil de diffusion données : vidéo / audio réseau unidirectionnel sans fil

+ texte + audio + images + vidéo

Données « multimédia 

»

Contexte de l’étude

65

Tendances historiques

Contexte de l’étude

Objets « Communicants » « Connectables » Multimédia Multi-fonctions

Défis actuels : Interfaçage des réseaux Haut débit sans fil Ergonomie / Usages

66

Angles d’arrivée (LOS) Contribution principale du trajet direct

Antenne Cornet :Révèle la contribution des trajets réfléchis d’ordre 1

Caractérisation du canal -> Influence de l’emplacement et du type d’antenne

67

Obstructions décalées

68

Scénario NLOS – 1 pers.

69

Obstruction et oscillations