uwb

COMMUNICATION, LOCALISATIONet

DETECTION DOBSTACLES

par technologie radio Ultra Large Bande (ULB) applique aux transports

F.Boukour (INRETS, Lille), A.Rivenq (IEMN-DOAE, Universit de Valenciennes), M.Heddebaut (INRETS, Lille)

Sommaire

- Besoins lis au domaine des transports- Gnralits sur lULB- Nouvelles formes dondes- Modulations adaptes lULB- Techniques daccs multiple- Trois Fonctionnalits appliques aux transports:

- Localisation - Communications- Dtection dobstacles (radar)

- Synthse

Besoins lis aux transports

Communications: Gestion des flottes de vhicules Communications inter-vhicules Guidage autoroutier adapt au trafic

Radar Dtection des chutes/ obstacles sur des voies de train/mtro Aide au stationnement

Localisation Permettant de localiser un mobile dans un plan en deux dimensions l'aide de 3 ou 4 stations de base Remplaant les systmes de localisation satellitaires inefficaces dans les zones masques Ayant plus de prcision de localisation avec un temps de traitement rduit

Ultra Wide Band (UWB) ou

Ultra Large Bande (ULB)Principe :

LUltra Large Bande dsigne les systmes qui transmettent et reoivent des ondes dont la largeur de bande relative LBR (fractional bandwidth) (-10 dB) est suprieure ou gale 0,25 fois la frquence centrale.

centrale frquencesignal du bande la delargeur =RLB

ModulationPar impulsion

3 10 GHzfrquence

C

o

m

m

u

n

i

c

a

t

i

o

n

C

o

m

m

u

n

i

c

a

t

i

o

n

U

W

B

U

W

B

Domaine temporel Domaine frquentiel

temps

1 0 1

(FCC Min=500Mhz)

Dbit important pour un WLAN Bonne capacit de pntration dans les murs et les obstacles Peu d'interfrences avec les systmes classiques Rduction des vanouissements causs par les trajets multiples Difficile dtecter Simplicit relative des systmes ULB Prcision leve Possibilit dune architecture commune pour les applications

de communications, localisation et de radarInconvnients Porte relativement faible Raret des composants Dbit reste faible par rapport la fibre optique Apparition des phnomnes de dispersion et de distorsion en

frquence sur une grande largeur de bande

Caractristiques de lULBAvantages:

Les formes dondes tudies

Les formesclassiques

Les polynmesorthogonaux

Limpulsion gaussienneLimpulsion monocycle

Limpulsion de ManchesterDrive des sinusodes

Les polynmes dHermiteLes polynmes de Gegenbauer

Les polynmes de LaguerreLes polynmes de Legendre

Introduction de nouvelles formes donde

Impulsion gaussienne Impulsion monocycle

e 2

32-*

2.1245*Ep=w(t)

Tct

e2

6-3

26=w(t)

ttA

Tc: le dcalage temporel (secondes), Ep: lnergie de limpulsion (Joules).: la dure de limpulsion (secondes), A: lamplitude crte en Volts.

Les formes dondes

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 20

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Temps (ns)

A

m

p

l

i

t

u

d

e

n

o

r

m

a

l

i

s

e

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-1

-0.6

0

0.6

1

Temps (ns)

A

m

p

l

i

t

u

d

e

n

o

r

m

a

l

i

s

e

22

)(x

exw

=

Dfinition

pour tout , le polynme Pn, de degr , est orthogonal tout polynme Pm de degr infrieur ou gal

Avec w(x) la fonction poids. symbole de Kronecker

n le degr du polynme, x est la variable.

] [ ,xpour )()()(, nn badxxPxPxwPP ba

mnmm =>=<

Nn nm 1)(n

Formes dondes bases sur les polynmes orthogonaux

Polynmes dHermite: Polynmes de Gegenbauer:

Support infiniSupport compact [ ]1,12/12 )1(),( = xxw

mn

Multiplication par 42t

e

)22t

(endt

nd42t

en1)((t)neh42t

e(t)nh

=

=

Les fonctions dHermite Modifies sont orthogonales et troites.

Reprsentation temporelle des fonctions Hermite Modifies.

Temps (nanosecondes) -1 -0.6 0 0.6 1

-0.8

-0.4

0

0.4

0.8

A

m

p

l

i

t

u

d

e

n

o

r

m

a

l

i

s

e

n=0n=1n=2n=3

Les polynmes dHermite


Lautocorrlation

0.5

-1 -0.6 0 0.6 1-0.5

0

1

Temps ( nanosecondes)

A

u

t

o

c

o

r

r

e

l

a

t

i

o

n

n=1n=2n=3n=4

Lintercorrlation

I

n

t

e

r

c

o

r

r

e

l

a

t

i

o

n

-1 -0.6 0 0.6 1

-0.8

-0.4

0

0.4

0.8

Temps ( nanosecondes)

n=1,m=2n=2,m=3n=3,m=4

Les polynmes dHermite


Nous proposons de multiplier Les polynmes Gegenbauer par

Permet de gnrer les signaux ULB.),( xw

),,(*),(),,( xnGxwxnGU =

Reprsentation temporelle des fonctions Gegenbauer modifies.

-1 -0.6 0 0.6 1

-0.8

-0.4

0

0.4

0.8

Temps (nanosecondes)

A

m

p

l

i

t

u

d

e

n

o

r

m

a

l

i

s

e

n=1n=2n=3n=4

Les fonctions de Gegenbauer Modifies (ultrasphriques)

1=Avec

Introduction de nouvelles Formes dondes

-2 -1 0 1 2

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1


A

m

p

l

i

t

u

d

e

-1

n=1n=2n=3n=4

-2 -1 0 1 2

-0.8

-0.4

0

0.4

0.8


A

m

p

l

i

t

u

d

e

n=1,m=2n=2,m=3n=3, m=4

Lautocorrlation LintercorrlationLes polynmes de Gegenbauer (ultrasphriques)

Introduction de nouvelles Formes dondes

Les types de modulation

La modulation Antipodale

La modulation Tout ou Rien

La modulation PPM (Pulse Position

Modulation)

Modulations adaptes lULB

1 101 10 1 10

Techniques daccs multiple ULB

TH-CDMADS-CDMA

Accs multiple ULB:CDMA

Nouvelles techniques :Associations aux formes dondes bases Sur les polynmes orthogonaux

Canal

Modulation antipodale

Gnrateur dimpulsion

Gnrateur de code de GoldSignal

de rfrence

Corrlation

Gnrateur de code de Gold

Donnesenvoyes

Unitde dtection

Donnesreues

ULB et signalisation ferroviaire

Canal de propagation: Tunnel

ULB et signalisation ferroviaire

62m 187m 434m

Canal de propagation: Tunnel

1m (~40 mVcc)

40 m (10 mVcc)

3000 m(~4 mVcc)

Mesures de propagation ULB

Efficacit des antennes directives

Faisabilit des transmission ULB longues portes

- Rsultats des simulations

-La dformation engendr par le canal nest pas trs importante-la modulation la plus efficace est BPSK (robustesse contre les interfrences)-Orthogonalit vrifie pour les portes vises

DisponibilitA un instant donn

IntgritRisque, limites dalarme, temps dalerte

PrcisionEn un endroit quelconque de la zone couverte

Les performances des systmes de navigation se mesurent via quatre paramtres :

Continuit de serviceContinuit de servicePendant la dure de lopration

Localisation ULB

Continuit :

La mesure de la probabilit que le service de localisation reste disponible pendant une priode donne, sil tait disponible au dbut de la priode .

Mais, lusager change denvironnement lors de ses dplacements ex : extrieur vers intrieur de btiments, parking, hall de gare . Diffrentes technologies doivent prendre le relais, de faon transparente pour lusager.

Paramtres de performances des systmes de navigation

Des augmentations satellitaires ou locales (Assisted GNSS) pour certains services ou dans certaines zones.

Une combinaison avec dautres techniques de localisation : ULB en indoor (profond).

Localisation ULB

La technique Ultra Large Bande par impulsions permet :

Une grande prcision dans la mesure des distances : la rsolution est inversement proportionnelle la dure de limpulsion BW = 7.5 GHz : rsolution de 133 ps (prcision : 4 cm) ;BW = 500 MHz, rsolution de 2 ns ( prcision : 60 cm).

GPS ULB

10 m 60 cm

Localisation ULB

Deux scnarios sont envisags- Localisation distance : diffrence de temps darrive de signaux aux stations de base (TDOA pas de synchro ncessaire des stations de base).

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.Coordonnes (x,y) estimes du mobile

Algorithme de

localisation

Serveur central

fixe

Station de base

Station de base

Mobile

Signal RF mis par le mobile

Paramtres de localisation


Localisation

Auto-localisation : TOA avec diffusion dune synchronisation issue de GNSS


Signaux RF mis par les stations de base

Coordonnes (x,y) estimes du mobile

Algorithme de localisation

Station de base :signaux de synchro GNSS

Station de base :signaux de synchro GNSS

Mobile ....

Localisation

Technique TDOA (Time Difference Of Arrival)

Rsolution du systme d'quations hyperboliques avec la mthode de Chan

Mthodes de localisation

communication ULB

Applications : inter-vhicules routiers, sol-trains, intra-trains1- Applications de communication

1er type- des dbits infrieurs 10 Mbit/s, - portes allant jusque 300 m ?, - capacit de positionnement

et de localisation(exemple liaison inter-vhicules

infrastructure-mtros en tunnel).

2- Applications de communication:Second type

- de trs hauts dbits : 100 Mbit/s 480 Mbit/s,- de courtes portes de lordre de 10 mtres

(exemple diffusion intra-train, train-bornes).

Frquence

D

e

n

s

i

t

s

p

e

c

t

r

a

l

e

d

e

p

u

i

s

s

a

n

c

e

Deux approches sont tudies:

Lapproche impulsionnelle(exploite tout ou partie de la bande situe entre 3,1 et 10,6 GHz).

Lapproche multi-bandesexploite la division de toute la bande prcdente en sous-bandes (le spectre est subdivis en 14 bandes partielles de 528 MHz chacune, saut de frquence). Pour viter de brouiller une bande de frquences particulire:

interdire une srie de porteuses

Communications ULB

Ralisation dun prototype de communication metteur/rcepteur

ULB / impulsions

Communications ULB

Prototype laboratoireEssais en extrieur

Implmentation dun systme multi- utilisateurs sur FPGA

Generateur ULB 1

Generateur ULB 2

Generateur ULB 3

Generateur ULB 4

Code (G1)generateur

Modulateur PPM (G1)

Code (G4)Generateur

Modulateur PPM (G4)

Code (G2)generateur

Modulateur PPM (G2)

Code (G3)generateur

Modulateur PPM (G3)

FPGA components

Antenne de rception

OscilloscopeLNA

donnesUnit de Dtection

Communications ULB

Cas tudis : utilisateurs synchrones et utilisateurs asynchrones

Test avec plusieurs utilisateurs

Communications ULB

Gnrateur UWB

Antenne dmission Antenne de

rception

Carte FPGA

Signal reu en plaant un obstacle 7 mtres

d = 6.99 m

Applications :- Dtection dobstacle- Radar anticollision

Motivations : Prcision des signaux ULB Possibilit de diffrencier diffrents types dobstacles : Signature radar

Aprs corrlation du signal

reu

Dtection dobstacles ULB

Signal Codage Modulateur

Code de Gold 1

ImpulsionGaussienne

Signal Codage Modulateur

ImpulsionGaussienne

Utilisateur 1

Utilisateur n

+

Bruit

Signal bruit

Retard i0

Corrlateur Numrique

TraitementAffichage

Code de rfrence

Code de Gold 5

Chane de radar ULB multi-utilisateurs :

Radar ULB Multi-utilisateurs

le signal de chaque utilisateur aprs corrlation avec chaque signal rfrence

a

Signal reu / SNRe=-5dB

Synthse

Utilisation de lULB pour les trois Fonctionnalits appliques aux transports: Communications (dbit important)

Localisation (bonne prcision, temps de calcul court)

Dtection dobstacles (bonne dtection, possibilitdindentification dobstacle)

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