Système de mesure multicanaux de distances pour la localisation des objets connectés dans les réseaux longue portée et basse consommation : De la modélisation jusqu’aux tests terrain

Discipline

Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes

Classification

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Internet des objets (IoT), Réseaux longue portée et basse consommation (LPWA), Radio localisation, Estimation de distance, Sauts de fréquence, Phase d’arrivée (PoA), Traitement cohérent, Narrow-Band IoT (NB-IoT), LoRa, Sigfox

Mots-clés

Internet des objets,

Systèmes de communication sans fil,

Systèmes d'identification par radiofréquence - Localisation,

Traitement du signal

L'Internet des objets (IoT, pour Internet of Things, en anglais) ouvre la porte vers la réalisation de nouvelles applications, telles que les compteurs intelligents et le suivi environnemental, destinées à adresser nos défis sociétaux et écologiques actuels et futurs. Les objets, possiblement mobiles ou distants, nécessitent une connectivité sans fil pour la centralisation des données et le contrôle à distance. Les réseaux longue portée et basse consommation (LPWA, pour Low Power Wide Area, en anglais) offrent des transmissions radio bande étroite avec une couverture à l’échelle typique d’une ville, tout en respectant les contraintes de consommation énergétique bas coût des objets. Intégrer la possibilité de localiser ces objets ajouterait de la valeur à leurs données et permettrait leur suivi géographique. Voilà pourquoi c'est un domaine de recherche très actif actuellement. L'utilisation du temps de propagation des signaux radio de communication, sans intégration supplémentaire de modules matériels dédiés à la localisation, est une approche très intéressante pour la complexité, la consommation et le coût des objets. Néanmoins la radio localisation dans les réseaux LPWA pose des défis liés d'une part aux transmissions à bande étroite qui n'offrent pas une résolution temporelle suffisante et d'autre part aux canaux de propagation qui peuvent introduire des biais sur les estimées de position. Cette thèse adresse ces défis en étudiant un système de mesure multicanaux de distance pour les réseaux LPWA. La combinaison cohérente des signaux bande étroite transmis séquentiellement sur des canaux différents améliore la précision d’estimation des temps de propagation et permet de résoudre en partie les multi-trajets pour une meilleure précision de localisation. Cette technique basée sur les signaux à bande instantanée étroite conserve la capacité longue portée des transmissions et reste compatible avec les réseaux LPWA. Un modèle détaillé prenant en compte les imperfections matérielles ainsi que les besoins protocolaires pour la synchronisation en temps, fréquence et phase est développé. Basé sur ce modèle, les variantes des architectures des émetteurs-récepteurs radios et leurs impacts sur la cohérence de phase pour l’estimation multicanaux de distance sont discutés. Les limites théoriques de précision sont dérivées pour la propagation en espace libre et dans des canaux de propagation multi-trajets, illustrant l’amélioration de précision possible entre l'approche multicanaux et l'approche monocanal pour l'estimation de distance. Des estimateurs de distance sont développés et appliqués aux signaux radio simulés afin de montrer que leurs performances atteignent les limites théoriques. Ces résultats de simulation sont validés avec des expérimentations menées avec un démonstrateur implémenté avec une radio logicielle (SDR, pour Software Defined Radio, en anglais). Les tests terrains réalisés en environnement urbain permettent de confirmer l'apport d'un système d'estimation multicanaux de distance, en combinaison avec du traitement de signal avancé, pour fournir une fonctionnalité de localisation intrinsèque et précise pour les réseaux LPWA.