1 Radio impulsionnelle UWB
1.6 Couche physique IEEE802.15.4a-2007
Les premières tentatives de normalisation de l’UWB à des fins de communication ont eu lieu dans le cadre des activités du groupe IEEE802.15.3a qui devait proposer une couche physique alternative à haut débit reposant sur l’UWB comme amendement au standard IEEE802.15.3 et pour des applications d’imagerie et multimédia entre autres. Ce groupe a établi des modèles de canal UWB et deux propositions de couche physique, le Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing (MB-OFDM) et le Direct Sequence UWB (DS-UWB), appuyée chacune par une alliance industrielle. Le désaccord prolongé sur le choix de l’une ou l’autre des deux propositions a entraîné la dissolution du groupe en janvier 2006.
En 2007 le groupe de travail TG4a IEEE802.15 introduisait le document technique IEEE Std 802.15.4a-2007 [54] portant sur une couche physique UWB alternative à la couche IEEE802.15.4 pour les réseaux personnels bas débit (WPAN32). Cette couche physique UWB avait pour objectif de fournir de meilleures performances et aussi d’ap-porter un nouveau service de mesure précise de la distance (ranging-localisation). De nombreuses informations sur cette couche physique peuvent être extraites dans le docu-ment de la norme [54], et une bonne présentation en est effectuée dans [55]. Nous nous contenterons ici de présenter quelques éléments en rapport avec le travail que nous avons effectué.
Dans une première mesure, le standard définit trois groupes de bande de fréquence dans lesquelles opèrent ces systèmes UWB (tableau 1.1) :
– Une bande sous le GHz comprise de 249.6MHz à 749.6MHz – Une bande basse de 3.1GHz à 4.8GHz
– Une bande haute de 6.0GHz à 10.6GHz
Les trois bandes sont réparties en 16 canaux (le premier est centré à 500MHz et les 15 autres sont compris entre 3.1 et 10.6GHz) dont la largeur de bande est de 500MHz sauf pour 4 canaux possédant des largeurs entre 1GHz et 1.4Ghz. Comme indiqué dans le tableau 1.1, les canaux 0, 3 et 9 sont obligatoires respectivement dans la bande sous le gigahertz, la bande basse et la bande haute, afin d’être compatibles avec les masques américain, européen et japonais. Les 14 autres canaux sont optionnels et les 4 canaux qui possèdent les plus grandes largeurs de bande sont définis de sorte à permettre aux équipements de transmettre avec une puissance plus grande (pour une dsp fixe) ; en effet, tout en augmentant la précision en localisation, cela favorise une portée supérieure mais aussi une meilleure résistance aux trajets multiples du canal.
Canal Fréquence cen-trale (MHz) Largeur de bande (MHz) Bande UWB 0 499.2 499.2 bande sous GHz obligatoire 1 3494.4 499.2 bande basse 2 3993.6 499.2 bande basse 3 4492.8 499.2 bande basse obligatoire 4 3993.6 1331.2 bande basse 5 6489.6 499.2 bande haute 6 6988.8 499.2 bande haute 7 6489.6 1081.6 bande haute 8 7488.0 499.2 bande haute 9 7987.2 499.2 bande haute obligatoire 10 8486.4 499.2 bande haute 11 7987.2 1331.2 bande haute 12 8985.6 499.2 bande haute 13 9484.8 499.2 bande haute 14 9984.0 499.2 bande haute 15 9484.8 1355 bande haute
Table 1.1 – Canaux de la norme 802.15.4a-2007 et paramètres associés
La couche physique repose sur une modulation combinant la PPM et la BPSK. Cependant, le standard a proposé une version originale de transmission des impul-sions, le burst, dans lequel toutes les impulsions du symbole sont concaténées avec une PRP33 de 2ns. Deux PRP moyennes34 ont également été définies, la première de 256ns (PRF35=3.9MHz) et la seconde de 64.1ns (PRF=15.6MHz), la première permettant d’émettre des impulsions de plus forte puissance.
Suivant la modulation PPM, un temps symbole de durée Ts est divisé en deux in-33. Pulse Repetition Period
34. Intervalle de temps moyen entre deux impulsions consécutives 35. Pulse Repetition Frequency
tervalles de durée égale contenant l’un ou l’autre le burst d’impulsions selon la valeur de l’information à transmettre. Chaque demi-temps symbole est divisé en deux parties égales, la première étant destinée aux positions possibles du burst d’impulsions et la deuxième partie servant d’intervalle de garde pour limiter les interférences entre im-pulsions. Il y a ainsi Nburst intervalles de durée Tburst dans un temps symbole tel que
Ts = Nburst ×Tburst. Chaque quart du temps symbole est divisé en Nhop = Nburst/4
slots représentant la longueur du code de saut temporel qui est utilisé pour discriminer les réseaux situés dans une même zone. Dans un burst il y aNcpb chips qui représentent le nombre d’impulsions consécutives et détermine le débit de la transmission. A l’inté-rieur d’un burst, les impulsions sont modulées en BPSK suivant une séquence binaire de valeurs{−1,+1}. La figure 1.24 nous illustre le principe de cette structure de couche physique avec arbitrairementNburst = 16
Figure1.24 – Structure de couche PHY de la norme 802.15.4-2007
Cette structure a été choisie pour que la couche physique puisse être compatible aussi bien avec les récepteurs cohérents, en mesure de détecter la position comme la phase des impulsions, que les récepteurs non cohérents sensibles uniquement à la position du burst. Le regroupement des impulsions en burst permet de concentrer l’énergie des impulsions émises, ce qui est un élément favorable à l’intégration d’énergie du récepteur non cohérent. Cela permet également de conserver un rapport cyclique faible et fixe favorisant une architecture très basse consommation [34, 54] ainsi que la coexistence avec d’autres équipements UWB [54]. Par ailleurs, la norme inclut l’usage d’un code de Reed Solomon RS(63,55) appliqué systématiquement aux données, et qui peut être couplé à un code convolutionnel systématique de Viterbi (FEC36) de rendement 1/2, de sorte que le taux de codage global soit sensiblement égal à 0.44. Cela produit alors 1 bit de code pour 1 bit d’information tels que le bit transmettant l’information soit déterminé par la position du burst tandis que le bit de code est transmis par la phase du burst, donnant ainsi le choix au concepteur d’utiliser des architectures de réception cohérentes ou non cohérentes [13].
Enfin, la norme IEEE 802.15.4-2007 permet de disposer de débits variables en jouant sur le nombre d’impulsions par symbole (via le paramètre Ncpb) car la PRP moyenne reste fixe. Le tableau 1.2 nous présente les jeux de paramètres pour les débits de donnée disponibles dans la norme après codage Reed Solomon RS(63,55) et codage correcteur de rendement1/2.
P RFmoy Ncpb Nburst Nhop Tburst Tsymb Débit Codage (MHz) (ns) (ns) (Mbps) des données 15.6 128 32 8 256.4 8205 0.11 RS + FEC 16 32 8 32 1025.6 0.85 RS + FEC 2 32 8 4 128.2 6.81 RS + FEC 1 32 8 2 64.1 27.24 RS 3.9 32 128 32 64.1 8205 0.11 RS + FEC 4 128 32 8 1025.6 0.85 RS + FEC 2 128 32 4 512.8 1.7 RS + FEC 1 128 32 2 256.4 6.81 RS
Table 1.2 – Débits possibles avec la couche PHY de la norme 802.15.4a-2007
La couche physique IEEE802.15.4a-2007 dispose de nombreux mécanismes paramé-trés au niveau de la couche physique ou de la couche MAC (ALOHA, LDC, étalement de spectre etc...) permettant la coexistence entre systèmes UWB et avec d’autres tech-nologies sans fil. L’ensemble de ces éléments est précisé dans le document de synthèse de la normalisation IEEE802.15.4a-2007 [54].
1.7 Conclusion
La technologie UWB-IR présente de nombreux atouts parmi lesquels la grande por-tion des fréquences allouées, qui favorise une largeur de bande permettant théorique-ment d’atteindre des débits élevés malgré une faible puissance d’émission. La répartition d’une faible quantité d’énergie sur une grande largeur de bande permet à l’UWB de coexister avec d’autres technologies sans fil qui perçoivent finalement les communica-tions UWB comme du bruit de faible interférence. L’aspect impulsionnel du signal et la grande largeur de bande qui en découle fournissent une bonne résolution temporelle permettant de discriminer les différents trajets du canal, apportant une certaine immu-nité aux trajets-multiples, une robustesse aux évanouissements et une bonne capacité de localisation. Enfin, l’ensemble de ces propriétés favorise la conception de systèmes de très
basse consommation, de faible complexité et donc de faible coût d’implémentation. C’est donc une technologie qui se prête bien aux applications liées à des réseaux de capteurs de faible consommation énergétique et bas coût.