Academic literature on the topic 'Radio Impulsionnelle'

Cette thèse étudie les avantages et les potentiels offerts par le style de conception asynchrone (sans horloge) pour implémenter les traitements numériques de réception des signaux radio impulsionnelle à ultra large bande (UWB), dans le contexte applicatif des réseaux de capteurs. D'une part, des oscillateurs numériques asynchrones ont été étudiés pour réaliser l'implémentation de la base de temps nécessaire aux traitements de réception des signaux radio impulsionnelle, et d'autre part, des algorithmes et des architectures asynchrones de réception de ces signaux radio ont été proposés et validés. Ces différents travaux ont permis de démontrer la pertinence de l’approche asynchrone pour l’implémentation de ce type de traitements, notamment sur le critère de faible consommation. Elles ouvrent ainsi la voie au concept de réseau de capteurs entièrement asynchrones
This PhD thesis studies the advantages and opportunities provided by the asynchronous design style to implement the digital part of an UWB Impulse radio receiver, in the context of wireless sensors networks. Ln one hand, asynchronous digital oscillators have been studied to implement the required time base of an impulse radio receiver. On the other hand, asynchronous algorithms and architectures have been proposed and studied. These different studies demonstrate the efficiency and relevance of the asynchronous design approach to implement this kind of processing, especially on the low power criteria. These studies open the way to fully asynchronous wireless sensor networks

Face à une demande sans cesse croissante de haut débit et d'adaptabilité des systèmes existants, qui à son tour se traduit par l'encombrement du spectre, le développement de nouvelles solutions dans le domaine des communications sans fil devient nécessaire afin de répondre aux exigences des applications émergentes. Parmi les innovations récentes dans ce domaine, l'ultra large bande (UWB) a suscité un vif intérêt. La radio impulsionnelle UWB (IR-UWB), qui est une solution intéressante pour réaliser des systèmes UWB, est caractérisée par la transmission des impulsions de très courte durée, occupant une largeur de bande allant jusqu'à 7,5 GHz, avec une densité spectrale de puissance extrêmement faible. Cette largeur de bande importante permet de réaliser plusieurs fonctionnalités intéressantes, telles que l'implémentation à faible complexité et à coût réduit, la possibilité de se superposer aux systèmes à bande étroite, la diversité spatiale et la localisation très précise de l'ordre centimétrique, en raison de la résolution temporelle très fine.Dans cette thèse, nous examinons certains éléments clés dans la réalisation d'un système IR-UWB intelligent. Nous avons tout d'abord proposé le concept de radio UWB cognitive à partir des similarités existantes entre l'IR-UWB et la radio cognitive. Dans sa définition la plus simple, un tel système est conscient de son environnement et s'y adapte intelligemment. Ainsi, nous avons tout d'abord focalisé notre recherché sur l'analyse de la disponibilité des ressources spectrales (spectrum sensing) et la conception d'une forme d'onde UWB adaptative, considérées comme deux étapes importantes dans la réalisation d'une radio cognitive UWB. Les algorithmes de spectrum sensing devraient fonctionner avec un minimum de connaissances a priori et détecter rapidement les utilisateurs primaires. Nous avons donc développé de tels algorithmes utilisant des résultats récents sur la théorie des matrices aléatoires, qui sont capables de fournir de bonnes performances, avec un petit nombre d'échantillons. Ensuite, nous avons proposé une méthode de conception de la forme d'onde UWB, vue comme une superposition de fonctions B-splines, dont les coefficients de pondération sont optimisés par des algorithmes génétiques. Il en résulte une forme d'onde UWB qui est spectralement efficace et peut s'adapter pour intégrer les contraintes liées à la radio cognitive. Dans la 2ème partie de cette thèse, nous nous sommes attaqués à deux autres problématiques importantes pour le fonctionnement des systèmes UWB, à savoir la synchronisation et l'estimation du canal UWB, qui est très dense en trajets multiples. Ainsi, nous avons proposé plusieurs algorithmes de synchronisation, de faible complexité et sans séquence d'apprentissage, pour les modulations BPSK et PSM, en exploitant l'orthogonalité des formes d'onde UWB ou la cyclostationnarité inhérente à la signalisation IR-UWB. Enfin, nous avons travaillé sur l'estimation du canal UWB, qui est un élément critique pour les récepteurs Rake cohérents. Ainsi, nous avons proposé une méthode d'estimation du canal basée sur une combinaison de deux approches complémentaires, le maximum de vraisemblance et la décomposition en sous-espaces orthogonaux,d'améliorer globalement les performances.

De par son approche nouvelle, la radio impulsionnelle ultra large bande (UWB-IR) est porteuse de nombreuses promesses en termes de débit, de robustesse et de faible consommation. Du fait de sa largeur de bande (supérieure à 500 MHz), elle offre également la possibilité de faire de la géolocalisation avec une précision submétrique. Ce travail de thèse a débuté alors que les premières publications sur l'UWB présentaient des résultats de simulation extraordinaires. Afin de mieux cerner son réel potentiel dans le domaine des communications bas débit auquel l'UWB-IR semble particulièrement adaptée, cette étude a été orientée vers la réalisation matérielle d'une chaîne de communication, sous-tendue par la contrainte de forte réduction de complexité. Cette étude commence par la spécification d'une couche physique adaptée à la technologie et au domaine d'application envisagé, qui repose sur un schéma de transmission très simple. La plate-forme d'émission réalisée est basée sur une architecture très simple et des composants discrets de bas de gamme. Elle démontre ainsi la possibilité d'embarquer une telle structure dans un objet communicant autonome de faible coût. La chaîne de réception suit une approche originale basée sur un détecteur d'enveloppe et un comparateur à seuil variable, ce qui permet de relâcher certaines contraintes bloquantes comme celles liées à l'acquisition de synchronisation. Un ensemble d'algorithmes de réception à faible complexité permet d'exploiter au mieux cette structure de détection en levant différents verrous technologiques. Par ce travail, une réflexion globale sur un système UWB-IR bas débit a été menée et a abouti à la réalisation d'un lien radio physique qui démontre la viabilité technique de cette technologie en rupture. De plus, les résultats obtenus ont été la base d'une proposition complète portée en normalisation.

Le réseau Body Area Network (WBAN) est un réseau de capteurs placés sur le corps ou à l'intérieur du corps, communiquant sans fil entre eux ou avec un terminal mobile placé à l'extérieur du corps. De nombreuses applications sont envisageables pour le WBAN allant du domaine médical (implants, monitoring…), au domaine sportif en passant par les loisirs. Une des configurations envisagées est On-Body, où deux ou plusieurs capteurs sont placés sur le corps. Le travail mené dans le cadre de cette thèse consiste à caractériser le canal de propagation dans un environnement WBAN à 900MHz et à 2,4GHz. Dans ce but, les interactions antenne/ corps ont été traitées dans un premier temps par simulations sur des fantômes numériques afin d'analyser l'effet du corps sur l'antenne. Ensuite, dans un deuxième temps plusieurs simulations et mesures sur des personnes volontaires ont été réalisées afin de modéliser les pertes sur le corps humain pour plusieurs scénarios, l'influence de la morphologie a été soulignée et un modèle statistique basé sur les mesures a été déduit. Une analyse des paramètres liés à la propagation comme les étalements de retards et le SAR ont été calculés. Enfin, nous avons présenté la méthode du retournement temporel qui repose sur la focalisation spatio-temporelle d'une onde sur une cible à partir de la connaissance de la réponse impulsionnelle du milieu de propagation. Les premiers résultats de son application dans le contexte WBAN ont montré des limites à cause des fortes pertes des tissus du corps humain.

Ce travail de recherche est basé sur la technologie Ultra Large Bande (ULB), en particulier pour des applications bas débit (standard IEEE 802.15.4) tels que les réseaux de capteurs, les transmissions WPAN ou encore WBAN. La modélisation et la conception d’un récepteur non cohérent ULB pour les communications radio impulsionnelles ont été réalisées. Un des facteurs les plus importants dans les communications ULB est la sensibilité du récepteur, qui détermine la portée de transmission maximale. Un autre facteur aussi important est la consommation d’énergie qui influence directement la durée de vie de la source d’alimentation (batterie). Dans ce contexte, nous présentons dans le chapitre I une introduction sur la technologie ULB et ses diverses applications. Le chapitre II présente la modélisation au niveau système ainsi que d’une étude comparative des récepteurs non cohérents basés sur la détection d’énergie et la pseudo-Détection d’énergie. Dans le chapitre III sont présentés la méthode de conception et de réalisation d’un récepteur non cohérent ULB dans la bande de 3-5 GHz, ainsi que les résultats de mesure et ses performances en termes de sensibilité et de consommation d’énergie. Finalement, le chapitre IV présente une étude théorique sur les différents modes de fonctionnement du transistor MOS afin de mieux comprendre le fonctionnement de chaque bloc du récepteur. Cela permet de proposer de nouvelles architectures pour la détection d’énergie. Enfin, à partir de ces études nous réalisons l’optimisation du récepteur en termes de sensibilité et de consommation d’énergie
This research is based on Ultra Wide Band (UWB) technology, in particularly for low-Rate applications such as sensor network, WPAN and WBAN (for the standard IEEE 802.15.4). The model and design of a non coherent receiver for UWB impulse radio communications has been completed. One of the most important factors in the UWB communications is the receiver sensitivity which determines the maximum transmission range. Another important factor is the energy consumption that determines the lifetime of the power source (battery). In this context, we present in Chapter I an introduction to UWB technology and its different applications. Chapter II deals with a modeling at the system level of non-Coherent receivers as well as a comparative study based on the energy detection and pseudo energy detection. In Chapter III is presented the method of design and implementation of a non-Coherent UWB receiver in the band of 3-5 GHz, as well as measurement results and performance in terms of sensitivity and power consumption. Finally, Chapter IV presents a theoretical study on the different modes of operation of the MOS transistor to understand the operation of each block of the receiver. This allows us to show the new architectures for energy detection and perform the optimization of receiver in terms of sensitivity and power consumption

Du fait de la nature ouverte et partagée du canal radio, les communications sans fil souffrent de vulnérabilités sérieuses en terme de sécurité. Dans ces travaux de thèse, je me suis intéressé particulièrement à deux classes d'attaques à savoir l'attaque par relais et l'attaque par déni de service (brouillage). La technologie de couche physique UWB-IR a connu un grand essor au cours de cette dernière décennie et elle est une candidate intéressante pour les réseaux sans fil à courte portée. Mon objectif principal était d'exploiter les caractéristiques de la couche physique UWB-IR afin de renforcer la sécurité des communications sans fil. L'attaque par relais peut mettre à défaut les protocoles cryptographiques d'authentification. Pour remédier à cette menace, les protocoles de distance bounding ont été proposés. Dans ce cadre, je propose deux nouveaux protocoles (STHCP : Secret Time-Hopping Code Protocol et SMCP : Secret Mapping Code Protocol) qui améliorent considérablement la sécurité des protocoles de distance bounding au moyen des paramètres de la radio UWB-IR. Le brouillage consiste en l'émission intentionnelle d'un signal sur le canal lors du déroulement d'une communication. Mes contributions concernant le problème de brouillage sont triples. D'abord, j'ai déterminé les paramètres d'un brouilleur gaussien pire cas contre un récepteur UWB-IR non-cohérent. En second lieu, je propose un nouveau modèle de brouillage par analogie avec les attaques contre le système de chiffrement. Troisièmement, je propose une modification rendant la radio UWB-IR plus robuste au brouillage. Enfin, dans une dernière partie de mes travaux, je me suis intéressé au problème d'intégrer la sécurité à un réseau UWB-IR en suivant l'approche d'embedding. Le principe de cette approche consiste à superposer et à transmettre les informations de sécurité simultanément avec les données et avec une contrainte de compatibilité. Ainsi, je propose deux nouvelles techniques d'embedding pour la couche physique UWB-IR afin d'intégrer un service d'authentification.

Au cours des dernières années, différents travaux de recherche ont été consacrés à l’étude et au développement des solutions de type réseau de capteurs sans fil. Ces travaux sont une réponse à l’augmentation du nombre d’objets connectés dans le monde avec le développement de l’internet des objets. La consommation d’énergie dans les réseaux de capteurs représente un des domaines les plus étudiés. Les communications dans les réseaux de capteurs représentent une part importante de leur consommation. Afin de réduire la consommation des communications dans les réseaux de capteurs, différents niveaux d’optimisation sont possibles. Dans ce contexte, différents travaux de recherches visant à réduire la consommation des émetteurs-récepteurs, grâce à des architectures innovantes, ont été menés à l’IM2NP. Beaucoup de ces travaux ont été consacrés aux radios impulsionnelles Ultra-Large Bande (ULB). En outre, les protocoles d’accès aux canaux de communications dans les réseaux de capteurs sont également importants quant à l’optimisation de leurs consommations. Les travaux de recherches proposés dans ce manuscrit, basés sur les travaux sur les radios impulsionnelles ULB réalisés au sein de l’IM2NP, proposent une optimisation de la consommation des réseaux de capteurs sur deux niveaux. Tout d’abord, un protocole asynchrone à base de radio de réveil d’accès au canal de communication adapté aux communications ULB est proposé ainsi que son étude énergétique. Suite à l'étude du protocole asynchrone proposé, la conception d’un récepteur de réveil semi-passif et d’un générateur d’impulsion ULB sous-GHz est abordée, et leurs performances en termes d’efficacité énergétique discutées
In recent years, research has been devoted to the study and development of Wireless Sensor Network (WSN). These research are a response to the increase of the connected objet number in the world with development of smartphones and Internet of things (IoT). Energy consumption in sensor networks is one of the most studied areas. In fact, the optimization of the consumption of the elements making up the sensor networks allows a reduction in the costs associated with their installation, operation and maintenance. Communications in sensor networks represent an important part of their power consumption. In order to reduce the consumption of communications in sensor networks, different levels of optimization are possible. In this context, various IM2NP research projects aimed at reducing transceiver consumption through innovative design were carried out. Much of this work has been devoted to Impulsionnal Radio Ultra-Wide Band (IR-UWB). Moreover, MAC protocols used to manage the communication channel access in wireless sensor networks are also important in optimizing their consumption. The research work proposed in this manuscript, based on the work on impulse radios UWB carried out within the IM2NP, propose an optimization of the consumption of sensor networks on two levels. Firstly, an asynchronous MAC protocol based on radio wake-up radio suitable for UWB communications is proposed as well as its energy study. Following the study of the proposed asynchronous protocol, the design of a low power semi-passive wake-up receiver (WuRx) and a UWB sub-GHz impulse generator is presented and their performance in terms of energy efficiency discussed

Les réseaux à l'origine métropolitains, ont connu une tendance à rétrécir pour aujourd'hui se concentrer autour de l'être humain. Avec des équipements de plus en plus miniatures et les utilisateurs désireux de disposer en permanence des services qui leur sont accessibles à domicile, le réseau est envisagé plus petit, plus proche du corps. On assiste alors à l'émergence du réseau corporel, le Body Area Network (BAN), qui est constitué d'éléments situés sur le corps, à l'intérieur ou encore à une courte distance. Ce réseau à portée du corps génère de nouvelles problématiques, notamment celles de la puissance rayonnée par les équipements, leur taille, leur poids...Les applications et usages envisagés pour un tel réseau sont variés et couvrent plusieurs domaines d'activités, en l'occurrence le secteur du médical, du sport, et le multimédia. Ce réseau doit donc reposer sur une couche physique qui s'adapte aux contraintes de ces diverses applications, tout en favorisant des équipements de faible taille, faible complexité et de forte autonomie. La technologie Ultra Large Bande impulsionnelle (UWB-IR) est porteuse de nombreuses promesses pour satisfaire en partie les besoins des réseaux BAN, car autorisant des débits aussi bien réduits qu'élevés, et les architectures d'émission et réception utilisables pour cette technologie rendent possibles des équipements à faible complexité et faible coût, et dont la consommation énergétique est réduite.Ce travail de thèse a débuté alors qu'un processus de normalisation sur les BAN était en cours. L'objectif des travaux menés était de pouvoir contribuer en partie à ce processus de normalisation par la proposition d'une couche physique basée sur la radio impulsionnelle UWB (UWB-IR). Ainsi notre étude a porté sur le paramétrage de cette couche physique à partir de l'analyse des contraintes et requis techniques d'un réseau BAN. Les performances de cette couche physique ont ensuite été évaluées dans un contexte de canal UWB BAN et suivant le type d'architecture en réception, en particulier pour le récepteur non-cohérent. Enfin, une attention a été apportée sur la robustesse de la liaison en présence d'interférences bande étroite. Dans l'ensemble, ce travail a permis d'étudier et d'évaluer la pertinence d'une couche physique UWB-IR dans le contexte du réseau BAN

Au cours des dernières années, différents travaux de recherche ont été consacrés à l’étude et au développement des solutions de type réseau de capteurs sans fil. Ces travaux sont une réponse à l’augmentation du nombre d’objets connectés dans le monde avec le développement de l’internet des objets. La consommation d’énergie dans les réseaux de capteurs représente un des domaines les plus étudiés. Les communications dans les réseaux de capteurs représentent une part importante de leur consommation. Afin de réduire la consommation des communications dans les réseaux de capteurs, différents niveaux d’optimisation sont possibles. Dans ce contexte, différents travaux de recherches visant à réduire la consommation des émetteurs-récepteurs, grâce à des architectures innovantes, ont été menés à l’IM2NP. Beaucoup de ces travaux ont été consacrés aux radios impulsionnelles Ultra-Large Bande (ULB). En outre, les protocoles d’accès aux canaux de communications dans les réseaux de capteurs sont également importants quant à l’optimisation de leurs consommations. Les travaux de recherches proposés dans ce manuscrit, basés sur les travaux sur les radios impulsionnelles ULB réalisés au sein de l’IM2NP, proposent une optimisation de la consommation des réseaux de capteurs sur deux niveaux. Tout d’abord, un protocole asynchrone à base de radio de réveil d’accès au canal de communication adapté aux communications ULB est proposé ainsi que son étude énergétique. Suite à l'étude du protocole asynchrone proposé, la conception d’un récepteur de réveil semi-passif et d’un générateur d’impulsion ULB sous-GHz est abordée, et leurs performances en termes d’efficacité énergétique discutées
In recent years, research has been devoted to the study and development of Wireless Sensor Network (WSN). These research are a response to the increase of the connected objet number in the world with development of smartphones and Internet of things (IoT). Energy consumption in sensor networks is one of the most studied areas. In fact, the optimization of the consumption of the elements making up the sensor networks allows a reduction in the costs associated with their installation, operation and maintenance. Communications in sensor networks represent an important part of their power consumption. In order to reduce the consumption of communications in sensor networks, different levels of optimization are possible. In this context, various IM2NP research projects aimed at reducing transceiver consumption through innovative design were carried out. Much of this work has been devoted to Impulsionnal Radio Ultra-Wide Band (IR-UWB). Moreover, MAC protocols used to manage the communication channel access in wireless sensor networks are also important in optimizing their consumption. The research work proposed in this manuscript, based on the work on impulse radios UWB carried out within the IM2NP, propose an optimization of the consumption of sensor networks on two levels. Firstly, an asynchronous MAC protocol based on radio wake-up radio suitable for UWB communications is proposed as well as its energy study. Following the study of the proposed asynchronous protocol, the design of a low power semi-passive wake-up receiver (WuRx) and a UWB sub-GHz impulse generator is presented and their performance in terms of energy efficiency discussed

Les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit portent sur le développement d'une nouvelle architecture de transmission spécifiquement dédiée aux réseaux de capteurs sans fils et adaptée aux caractéristiques particulières de ceux-ci. L'approche, basée sur les techniques de radio impulsionnelle pour la transmission à large bande, est développée selon deux aspects de recherche principaux: fonctionnel et matériel. L'aspect fonctionnel vise à définir les caractéristiques du signal transmis ainsi que les algorithmes de traitement (modulation et démodulation) associés. Plus largement, il s'agit de définir l'architecture fonctionnelle de la chaîne de transmission, selon deux modes différents d'exploitation: mono-utilisateur et multi-utilisateurs. L'approche proposée pour transmettre des signaux impulsionnels, est basé sur l'emploi de la transformée discrète en paquets d'ondelettes (DWPT) au niveau du récepteur et de la transformée inverse au niveau de l'émetteur (IDWPT). La nature orthogonale des ondelettes permet de réaliser, sans nécessiter une couche MAC complexe, des communications multi-utilisateurs, simultanées ou non, sur un canal large bande, grâce à la forte discrimination entre les impulsions transmises. Le deuxième aspect porte sur le développement des architectures matérielles permettant l'implantation des algorithmes de traitement développés dans la partie fonctionnelle. La recherche de performances élevées (ratio élevé entre vitesse de traitement et coût matériel) et flexibilité (configurabilité, extensibilité), est particulièrement important dans les fonctionnalités liées aux transformées discrètes en paquets d'ondelettes qui constituent le cœur critique de la chaîne de transmission. Des techniques de parallélisation massive et générique sont développées et mises en œuvre, permettant d'atteindre les niveaux de performances et de flexibilité requis. La validation a été réalisée à l'aide respectivement de modélisations et imulations sous Simulink/Matlab (de MathWorks) pour les aspects fonctionnels et de modélisations VHDL (au niveau RTL [Register Transfer Level]) et d'implantations sur FPGA pour les aspects matériels
The thesis work presented in this manuscript focuses on the development of a new transmission architecture specifically dedicated to wireless sensor networks and adapted to the particular characteristics of the later. The approach, based on impulse radio techniques for wideband transmission, is developed according to two main research aspects: functional and hardware. The functional aspect aims at defining the characteristics of the transmitted signal as well as the associated processing algorithms (modulation and demodulation). More broadly, it comes to define the functional architecture of the transmission chain, according to two different operating modes: mono- and multi-user. The proposed approach for transmitting pulse signals is based on the use of the discrete wavelet packet transform (DWPT) at the receiver and the inverse transform (IDWPT) at the transmitter. The orthogonal nature of the wavelets makes it possible, without needing a complex MAC layer, to make multi-user communications, either simultaneous or not, over a wideband channel, thanks to the strong discrimination between the transmitted pulses. The second aspect relates to the development of hardware architectures allowing the implementation of the processing algorithms developed in the functional part. The search for high performance (high ratio between processing speed and hardware cost) and flexibility (configurability, extensibility) is particularly important in the functionality related to the discrete wavelet packet transform which constitutes the critical core of the transmission chain. Massive and generic parallelization techniques are developed and implemented to achieve the required levels of performance and flexibility. Validation was carried out using respectively Simulink/Matlab (MathWorks) modeling and simulation for the functional aspects, and VHDL modeling (at the Register Transfer Level -- RTL) and FPGA implementations for the hardware aspects