Une fois la trame structurée et modulée, le signal est envoyé vers une antenne qui le conver-tit en une onde électromagnétique qui permet une transmission dans l’espace. La possibilité de récupération du message émis est liée aux interactions survenues entre l’onde et son milieu durant son périple au travers du canal. Pour cette raison, on qualifie de bonne qualité3 un canal de propagation (ou de communication) dans lequel il est possible de transmettre un mes-sage sans détérioration. En pratique, les interactions de l’onde émise et du canal détériorent la qualité du signal reçu, typiquement mesurée par le rapport signal à bruit. De plus, on parle de canal dynamique dans le cas où l’effet du canal sur le signal varie dans le temps. A contrario, un canal statique se caractérise par une constance dans les interactions du milieu et du signal.
3. Bien qu’il existe de nombreuses façons d’exprimer précisément la qualité du canal, ici nous préférons sciemment une terminologie vague.
1.4. Le canal de communication radiofréquence 19
Avec un déploiement des réseaux LPWA sur des distances pouvant aller jusqu’à la dizaine de kilomètres, le canal de propagation peut présenter de grandes variations, à la fois au cours du temps mais aussi en fonction des déplacement du nœud. En effet, le déploiement des réseaux LPWA sur de grandes étendues géographiques augmente la probabilité que le système ait à faire face à des canaux fortement dynamiques. Ceci est d’autant plus vrai que les nœuds peuvent être mobiles. De nombreux travaux ont cherché à caractériser le canal de propagation directement, typiquement en réalisant des mesures dédiées. L’approche poursuivie dans ces travaux est différente en ce qu’elle cherche, en analysant le signal reçu, de retrouver une image des interactions survenues lors de la propagation de l’onde émise dans le canal et ainsi caractériser le canal sans réaliser des mesures dédiées. En effet, le fait d’éviter les mesures dédiées est indispensable pour des applications à forte contrainte énergétique qui sont celles visées par ces travaux.
Ces travaux de thèse s’intéressent donc à l’identification d’au moins trois phénomènes fréquemment rencontrés et pouvant avoir un impact majeur sur la qualité du canal :
— la variation de l’effet de masquage, — l’évanouissement et
— la présence d’interférence électromagnétique.
Par abus de langage, nous parlerons de la nature du canal pour se référer à la nature du phénomène prédominant à un instant donné dans le canal de communication. Or, dans un contexte de canal dynamique, il est évident que ces phénomènes vont fluctuer au cours du temps et ils pourront même être présents dans le canal de communication au même moment. Or, la nature des phénomènes présents dans le canal de communication produira un impact différent sur le signal reçu. Mais dans tous les cas, ces phénomènes pourront provoquer une perte d’information et donc des retransmissions de trames. Ces renvois sont à éviter puisqu’ils provoquent une surconsommation d’énergie et raccourcissent la durée de vie des batteries, abaissant par la même occasion la durée de vie des systèmes communicant concernés. Pour mieux comprendre les phénomènes que nous rechercherons par la suite à identifier, une brève description de chaque phénomène est présentée dans les paragraphes suivants.
1.4.1 La propagation d’une onde électromagnétique dans un milieu
Après émission par une antenne, l’onde électromagnétique est diffusée dans l’espace. L’éner-gie de l’onde se trouve atténuée, pour une diffusion en espace libre, en fonction du carré de la distance parcourue par l’onde, [14]. En pratique, l’atténuation moyenne subie par le signal est supérieure à celle observée en espace libre. La puissance du signal reçu par le récepteur, et donc le rapport signal à bruit correspondant, peut donc varier très fortement en fonction de la distance entre un nœud et la station de base.
De plus, après émission par une antenne, l’onde électromagnétique rebondit sur différents obstacles et peut emprunter des trajets de propagation différents entre l’émetteur et le récep-teur : le trajet direct et les trajets indirects. Le trajet direct correspond au trajet pris par l’onde lorsque le récepteur et l’émetteur sont en vis-à-vis sans obstacle entre les deux. Lorsque
l’onde subit des réflexions, des réfractions et des diffractions dues à la présence d’obstacles entre les deux systèmes, on dit alors qu’elle s’est propagée par des trajets indirects. Ainsi selon la configuration de l’environnement, il peut exister beaucoup de trajets indirects. Chaque tra-jet produit une version de l’onde caractérisée par une amplitude, une phase, et une direction d’arrivée sur l’antenne. Pour cette raison, au niveau de l’antenne de réception, le signal capté résulte d’une combinaison des différentes versions de l’onde. Cette recombinaison donne lieu à des phénomènes constructifs ou destructifs, [15] :
— Recombinaisons constructives : toutes les versions de l’onde arrivent au niveau de l’an-tenne en phase (avec un déphasage égal à un multiple entier pair de π). Dans ce cas, leurs amplitudes s’ajoutent et ainsi l’amplitude finale de l’onde est maximale.
— Recombinaisons destructives : les différentes versions de l’onde arrivent au niveau de l’antenne en opposition de phase (avec un déphasage égal à un multiple entier impair de π). Dans ce cas, les amplitudes s’annulent et ainsi l’amplitude finale du signal reçu est minimale.
Dans un canal statique, c’est-à-dire qu’aucun élément en mouvement vient perturber les trajets parcourus par les différentes versions de l’onde et aussi que l’antenne de réception est immobile, la puissance du signal reçue est constante. À partir du moment où un élément situé sur le trajet parcouru par l’onde est en mouvement ou que le nœud récepteur est lui-même en mouvement, la puissance instantanée du signal reçue variera en fonction des recombinai-sons constructives et destructives observées à tout instant. Il est courant de séparer les effets microscopiques (évanouissement) et macroscopiques (masquage) de ces recombinaisons sur le signal reçu.
1.4.2 Le masquage
Le phénomène de masquage est le résultat de la présence de gros obstacles, c’est-à-dire de taille très supérieure à la longueur d’onde du signal, sur les trajets de propagation de l’onde. On considère généralement que ces obstacles sont immobiles ou à mobilité très faible par rapport au temps de propagation de l’onde. Dans ce cas, l’ensemble des réflexions viendront se recombiner au niveau du récepteur pour former un signal de puissance constante. Par contre, si la configuration des obstacles venait à changer, le niveau de puissance du signal reçu changerait également. C’est cet effet dit de masquage qui fait que, pour une même distance entre les antennes TX et RX, le niveau de puissance reçue peut varier en fonction de la localisation du nœud.
Une variation de l’effet de masquage peut survenir après une modification de cloison, d’un déplacement de l’émetteur ou du récepteur, d’un déplacement de meubles, etc. D’un point vu temporel, le phénomène de masquage se traduit par une fluctuation très lente du niveau moyen de puissance du signal reçu.
1.4. Le canal de communication radiofréquence 21
1.4.3 L’évanouissement
Lorsqu’un élément est en mouvement et perturbe les trajets suivis par l’onde émise, l’ef-fet des recombinaisons des différentes versions de l’onde est rapide et crée des fluctuations rapides de la puissance du signal reçu. Dans ce contexte, on parle d’évanouissement pour décrire l’impact particulièrement gênant des recombinaisons destructives. D’un point de vue temporel, l’évanouissement se traduit par une variation de la puissance du signal reçu dans une temporalité corrélée à la temporalité des mouvements survenus dans l’environnement.
En pratique, la durée du phénomène d’évanouissement est caractérisée par la notion de temps de cohérence Tc du canal, c’est-à-dire le temps pendant lequel deux transmissions ob-servent des atténuations (dues au phénomène d’évanouissement) corrélées. Il est démontré que Tc= 0.4∗ c/(vfp), où v est la vitesse de déplacement de l’élément qui est en mouvement, fp
est la fréquence de la porteuse et c est la vitesse de la lumière, [5].
Nous choisissons de focaliser nos travaux sur des évanouissements provoqués par la mobilité d’objets et/ou de personnes dans l’environnement et donc à des vitesses correspondant au trafic pédestre limité à quelques mètres par seconde. En supposant une porteuse inférieure à 1 GHz, nous considérerons donc qu’un temps de cohérence de l’ordre de 100 ms est typique de notre contexte. De tels temps de cohérence sont particulièrement gênants pour les réseaux de type LPWA où il est fréquent de transmettre des trames longues, et donc dont la durée de transmission est supérieure au temps de cohérence du canal.
1.4.4 Les interférences électromagnétiques
Lorsque deux émetteurs émettent simultanément sur une même bande de fréquence ou dans deux bandes de fréquences très proches, les signaux émis peuvent interférer entre eux et provoquer des distorsions plus ou moins importantes à la réception selon leur puissance et leur nature. Le signal non désiré présent dans le canal est appelé signal d’interférence car sa présence perturbe la transmission du message. Lorsque le signal d’interférence est émis dans la bande du signal désiré, on parle d’interférence co-canal (inband). Lorsqu’il est émis dans une bande de fréquence proche, on parle d’interférence hors bande ou adjacente (outband). Les situations pouvant provoquer les perturbations de type interférence sont diverses. Selon la topologie en étoile du réseau, on peut présenter trois cas de figure qui peuvent provoquer la dégradation des transmissions par des perturbations de type interférence : la collision, la congestion et les interférences non intentionnelles. Les trois cas de figures sont illustrés dans la figure 1.7.
Les collisions sont générées par des sources d’interférences dites intentionnelles et corres-pondent à des émissions d’autres systèmes de transmission sans fil : émissions WiFi , téléphonie mobile, autres applications IoT, autre nœud du même réseau LPWA, etc. Le développement récent de réseaux sans fil LPWA avec un déploiement massif de nœuds utilisant la même bande de fréquence (ISM) augmente considérablement la probabilité des perturbations de ce type. De plus, le déploiement sur de grandes distances augmente le risque de colocalisation de différents
Figure 1.7 – Illustration de trois cas de figure qui peuvent engendrer des perturbations de type interférence.
types de réseaux LPWA, par exemple les systèmes utilisant les protocoles LoRa, Sigfox, IEEE 802.15.4g/k ou MYOTY, qui peuvent se gêner entre eux. Enfin, le risque de collision entre les transmissions augmente d’autant plus que les trames de communication utilisées dans les réseaux LPWA sont naturellement longues vu les bas débits de transmission rendus nécessaires par la longue portée.
Les sources d’interférences non intentionnelles correspondent aux émissions résiduelles des fours à micro-ondes, des machines électriques, des plaques à induction, etc. Celles-ci sont particulièrement gênantes dans certains milieux industriels.