Cet article a remporté le concours 2010 des meilleures applications organisé par National Instruments, toutes catégories confondues.

L’objectif :
Évaluer l’impact des caractéristiques de propagation de canaux de transmission spécifiques (environnements maritime, urbain…) sur les signaux qui y transitent et analyser leur influence sur la conception et la mise en œuvre de nouveaux systèmes de communication (WiMAX, LTE…).

La solution :
Assembler dans un châssis PXI les fonctions de synchronisation, d’analyse vectorielle large bande et d’enregistrement temps réel constituant ainsi un système d’acquisition compact et performant. Piloté par une application LabVIEW, il permet de réaliser des mesures de propagation sur site.

Ces dernières années, les bandes passantes des communications numériques supportées par les lignes téléphoniques, le câble ou la fibre optique ont grandement augmenté, faisant naître de nouveaux usages et de nouveaux besoins. Mais pour satisfaire les zones non couvertes, de nouveaux systèmes de communications sans fil doivent être mis en œuvre, auxquels on demande plus de portée, plus de débit et plus d’efficacité spectrale : par exemple WiMAX et LTE. De plus, les zones à équiper peuvent présenter des spécificités. C’est le cas, par exemple, des zones portuaires ou côtières pour lesquelles le canal de propagation peut s’écarter des modèles classiques et nécessiter des études plus précises.

Grande école de dimension internationale, Télécom Bretagne forme les ingénieurs de demain dans les domaines des télécommunications. C’est aussi un acteur important de la recherche à travers de multiples partenariats et réseaux, et la création de plusieurs laboratoires mixtes avec le CNRS, l’Inserm ou l’université. C’est au sein du laboratoire mixte Lab-STICC que l’équipe transverse CAST (CAnaux et Systèmes de Transmission) collabore étroitement avec divers laboratoires académiques et industriels pour étudier les problèmes posés par le déploiement de WiMAX en zone côtière.

Caractériser un canal pour valider un modèle
La démarche consiste à émettre une hypothèse sur le modèle concerné, par exemple le modèle à deux rayons en environnement maritime, puis une caractérisation du canal est réalisée. Les résultats permettent alors de valider ou de compléter le modèle. On peut ainsi analyser l’influence des caractéristiques du canal sur la conception des systèmes, contribuer à en augmenter la fiabilité et à en optimiser l’occupation spectrale en fournissant aux concepteurs de fonctions de communication (modulation, codage…) des informations pertinentes sur les caractéristiques des signaux ayant véhiculé l’information sur des liaisons réelles.

Jusqu’à 50 MHz de bande passante instantanée
Le dispositif consiste à générer un signal test, à l’aide d’un dispositif calibré, à bord d’une plate-forme mobile, et à enregistrer le niveau de champ reçu à distance sur une ou deux voies également calibrées. Afin de pouvoir rapprocher le niveau du signal reçu de la distance séparant l’émetteur du récepteur, un dispositif de positionnement et de datation doit être disponible de part et d’autre.

Dans le cas du canal WiMAX, les bandes de fréquences sont situées autour de 3,5 GHz et de 5,4 GHz. Pour d’autres applications, les fréquences de travail varient entre 10 MHz et 6 GHz. La bande passante instantanée nécessaire peut s’élever à 50 MHz, ce qui induit des contraintes vis-à-vis des flux de données et des capacités de stockage. Ces contraintes s’appliquent pour le générateur et pour le récepteur.

Des disques RAID de 3 To pour supporter la quantité de mesures à enregistrer
La génération du signal s’appuie sur un double générateur vectoriel PXIe-5673 fournissant deux voies, auquel sont associés, dans un châssis 18 slots, un contrôleur PXIe-8130, une carte GPS PXI-6682 et une carte PXI-8262 pour interfacer les disques RAID HDD 8264. La réception du signal comprend un double analyseur vectoriel PXIe-5663 traitant deux voies, auquel sont associés, dans un châssis 18 slots, un contrôleur PXIe-8106, une carte GPS PXI-6682 et une carte PXI-8262 pour interfacer les disques RAID HDD 8264. Ces deux équipements forment le cœur du dispositif, ils sont complétés par les câbles, aériens, filtres et amplificateurs de puissance et faible bruit choisis en fonction de l’application concernée. La possibilité de travailler sur deux voies synchronisées et calibrées donne accès à des analyses multi-antennaires pour traiter par exemple la diversité d’espace. La capacité du disque RAID de 3 To est suffisante pour des campagnes de mesures de plusieurs jours suivant la bande analysée et la récurrence des enregistrements. À titre d’exemple, une heure d’enregistrement d’une bande de 50 MHz sur deux voies, à raison d’une seconde toutes les 6 secondes, occupe 240 Goctets.

La solution NI présente pour nous plusieurs avantages. Tout d’abord, elle offre la possibilité de construire un équipement spécifique et intégré, répondant au besoin de compacité des mesures de terrain. Ensuite, la modularité du dispositif nous a permis d’en étaler l’acquisition en mutualisant les ressources de plusieurs projets successifs (projets financés par FEDER, CG29, CRB, MESR, DGE, BMO).

Un développement épaulé par le support technique de NI
Les fonctions assurées par les applications comprennent l’IHM, l’initialisation et le pilotage des cartes, le calibrage des équipements ainsi que la relecture et le traitement des données en temps différé. L’environnement de développement LabVIEW a été mis à profit pour construire des applications intégrées et spécifiques. Le développement de ces applications assez conséquentes a été facilité par la consultation d’exemples ainsi que par l’aide du support NI.

Mieux connaître pour savoir comment optimiser
Les équipements décrits ont été mis en œuvre dans le cadre de plusieurs projets coopératifs labellisés par les pôles de compétitivité Mer ou Images et Réseaux. Les résultats obtenus ont permis de comprendre les limitations de performance de systèmes de communication en milieu maritime et de proposer aux industriels partenaires des solutions permettant d’en augmenter largement la portée. Ce dispositif a également été mis en œuvre pour effectuer de la télédétection en s’appuyant sur les signaux GNSS.

Vers une montée en fréquence, toujours en PXI
Un nouveau projet nous conduit à monter en fréquence pour travailler autour de 12,5 GHz. Nous avons la possibilité de trouver chez Phase Matrix, partenaire Alliance NI, un produit PXI compatible pour compléter notre dispositif sans avoir à réinvestir complètement dans un nouvel équipement.

Références :
– Y. Le Roux, J. Ménard, C. Toquin, F. Nicolas, and J.-P. Jolivet. Experimental measurements of propagation characteristics for maritime radio links. In ITST’09 : 9th International Conference on Intelligent Transport Systems Telecommunications, Lille France, 10 2009.
– Y. Le Roux, J. Ménard, C. Toquin, J-P. Jolivet and F. Nicolas. Experimental measurements of maritime radio transmission channels, Sea Tech Week OCOSS’2010 Conférence, juin 2010 Brest.

Auteurs :
Jacky MÉNARD – Télécom Bretagne
Jean-Pierre JOLIVET – Télécom Bretagne
Fabien NICOLAS – Télécom Bretagne
Yvon LE ROUX – Télécom Bretagne