UPThèses

Aujourd’hui média incontournable d’échange d’informations, les ondes électromagnétiques sont plus que jamais présentes dans notre environnement. Le nombre toujours croissant d’appareils connectés appelle à une meilleure utilisation des ressources spectrales disponibles. Dans le cadre particulier des télécommunications avec un projectile, étudié dans cette thèse, les communications doivent en plus être discrètes et fiables dans un environnement hostile. Dans le contexte général des télécommunications comme dans ce dernier domaine d’application, le filtrage spatial reconfigurable dynamiquement permis par les réseaux d’antennes offre ainsi de nombreux atouts pour les défis présents et à venir. Le contrôle de réseaux d’antennes nécessite une électronique fonctionnant en cohérence et en alignement de phase. Dans une précédente thèse, un système analogique a permis de dépointer vers une station alliée le lobe principal d’un réseau embarqué dans un projectile, durant toute la trajectoire de ce dernier. Ce système n’autorise cependant que 16 configurations pour le diagramme de rayonnement du réseau et n’est fonctionnel qu’autour de 5,2 GHz. Par opposition, la radio logicielle utilise des composants large-bande programmables, qui permettent le traitement des signaux reçus ou à émettre en bande de base numérique. Son utilisation rendrait ainsi possible un contrôle du diagramme de rayonnement du réseau plus précis et un fonctionnement sur de larges bandes de fréquences. Cette technologie reste pourtant encore peu utilisée dans le cadre des applications à cohérence de phase. Ces travaux étudient donc les possibilités offertes par la radio logicielle pour les applications à cohérence, avec la contrainte supplémentaire d’alignement des phases, à travers les télécommunications avec un projectile. Des réseaux d’antennes de géométries linéaire et planaire sont étudiés. Un système de contrôle d’antennes de 4 voies en réception et émission est conçu à partir de radios logicielles commerciales. Des solutions, distinctes pour la réception et l’émission de données, sont développées pour assurer une compensation automatisée des déphasages entre les voies. Plusieurs algorithmes de traitement d’antennes et d’estimation d’angle d’arrivée (DOA) sont implémentés en C++. Les équipements disponibles ne permettant une mesure automatisée des diagrammes de rayonnement des réseaux pilotés par radios logicielles, un montage expérimental est proposé. Les performances du système sont alors quantifiées en chambre anéchoïque pour des réseaux d’antennes de différentes géométries et des fréquences de fonctionnement allant de 2,3 à 5,2 GHz. Selon le réseau piloté, le lobe principal ou un nul de rayonnement peuvent être dépointés dans des plages angulaires allant de 60 à plus de 100°, selon une ou deux dimensions. Les algorithmes implémentés sont également utilisés pour développer une station au sol de suivi de projectile basée sur l’estimation de DOA de l’émetteur embarqué dans le projectile et testée en conditions réelles. Plusieurs projectiles volant à une vitesse proche de celle du son sont alors correctement suivis électroniquement. Le rapport signal à bruit du signal recombiné grâce à la station de suivi est plus de 5 dB supérieur à celui d’une unique antenne du réseau et les données de vol du projectile sont correctement décodées.

Aujourd’hui, une quatrième révolution industrielle, appelée Industrie 4.0, est en marche afin d’assurer la numérisation et l’automatisation des systèmes de production dans un écosystème global respectueux des enjeux climatiques et économiques. Elle s’appuie sur le concept des Systèmes Cyber-Physiques (Cyber Physical Systems, CPS) pour créer des outils de production capables d’interagir avec leur environnement de manière continue via l’association d’éléments physiques, informatiques et de communication. Ces outils de production devront former un écosystème dans le but de coordonner leurs échanges. Dans ces conditions, il est indispensable de se doter d’un réseau industriel sans fil intelligent, capable d’envoyer la bonne information, au bon moment, à la bonne cible. La communication sans fil basée sur les ondes radioélectriques n’est pas nouvelle. Cependant, elle reste problématique dans des environnements industriels pour plusieurs raisons. En effet, de par la spécificité de l’environnement industriel et les contextes d’utilisation des technologies de production, la propagation des ondes électromagnétiques va introduire des phénomènes pouvant impacter la performance des technologies sans fil. Dans ces travaux de recherche, nous étudions l’impact du comportement des ondes électromagnétiques en environnement industriel aéronautique sur la performance des technologies sans fil. Ces études couvrent à la fois les aspects liés au canal de propagation, à la couche PHY et à la Qualité de Service (QoS). Nos travaux prennent en compte la spécificité de l’environnement industriel aéronautique (présence des structures d’avion : fuselage, caisson central, voilure, …) et des contraintes opérationnelles liées aux processus métier dans la définition des principales configurations de transmission à traiter. Ces dernières sont étudiées en s’appuyant conjointement sur des simulations et des expérimentations en situation réelle qui ne pouvaient donc pas être simplifiées. Cela engendre une complexité supplémentaire des expérimentations et de leur comparaison avec les simulations. Notre première contribution concerne la conception de modèles de canaux permettant de prédire l’affaiblissement de la puissance en fonction de la distance et le comportement moyen de la réponse impulsionnelle de chaque configuration de transmission. La deuxième contribution est l’exploitation de ces modèles dans la chaîne de simulation de la couche PHY des technologies 802.11g, 802.11n et 802.11ac afin d’analyser l’influence des canaux à travers le taux d’erreur paquet (PER). Pour aller au-delà de la simulation, nous avons réalisé le déploiement d’un réseau 802.11n afin d’évaluer cette fois-ci l’impact des canaux sur les métriques de QoS de la couche réseau à savoir le débit réel, la latence et le taux d’erreur paquet. Nos travaux se terminent par la proposition d’un système multi-bearers sous forme de perspective qui vise à améliorer la QoS en choisissant de manière intelligente la technologie la plus adaptée au contexte d’opération.

Cette thèse résume trois années de travail dans le domaine de la caractérisation large bande du canal radio pour des applications projectiles. L’instrumentation des projectiles évolue avec la miniaturisation de l’électronique et l’accroissement constant de ses performances. L’échange de données par liaison sans fil bi-directionnelle entre le projectile et la station de base doit s’effectuer aussi efficacement que possible. Afin de répondre à cette exigence, il est fondamental d’optimiser chaque élément de la chaîne de communication. Le canal, qui est le support où la propagation des ondes radio prend place, est l’un des éléments à modéliser. Dans le but de caractériser le canal radio pour ces applications, cette thèse a été structurée en cinq chapitres: dans les premier et deuxième chapitres, le contexte général de la thèse est présenté, introduisant le cadre de la thèse et donnant les éléments nécessaires pour comprendre le reste du manuscrit. Au chapitre trois, nous abordons le problème du développement des briques nécessaires pour caractériser le canal de propagation. Une des contributions de cette thèse est la définition d’un ensemble de procédures pour effectuer une modélisation de canal. Au chapitre quatre et cinq, nous présentons nos résultats. Alors qu’au chapitre quatre une étude préliminaire du canal est effectuée, une caractérisation complète est donnée au chapitre cinq. Les chapitres se terminent par la présentation d’un modèle de canal dédié aux simulations de communications numériques afin d’améliorer la liaison avec le projectile. Dans une dernière étape, les conclusions et les questions ouvertes sont détaillées.