Chapitre 4 – Etude expérimentale du procédé de localisation en scénario NLOS
2. Validation expérimentale du procédé de localisation
2.3. Performances du procédé de localisation
Les paramètres appliqués dans l’algorithme de localisation pour ces mesures expérimentales sont les mêmes que ceux présentés dans le Tableau III-1 du chapitre 3, à l'exception du nombre kNN utilisé pour déterminer la cellule finale où est supposé se trouver le MS. Expérimentalement, les erreurs d’estimation sont plus élevées, en raison notamment des imprécisions de mesures, et des divergences entre modèle théorique et réalité rendant nécessaire un lissage de la métrique sur quelques cellules les plus vraisemblables. La valeur de kNN=10 s’est trouvée être un bon compromis permettant de lisser la métrique tout en évitant de sélectionner trop de résurgences.
Pour le cas où récepteurs sont utilisés, la multilatération s’opère pour toutes les combinaisons possibles de récepteurs, quelle que soit la distance entre eux. Pour une localisation avec deux récepteurs, 140 réalisations expérimentales sont disponibles, et 208 réalisations avec trois récepteurs, pour chaque mode de polarisation (uV et uH).
2.3.1. Métrique géométrique MCD
La Figure IV.4 présente un exemple de cartographie de la métrique MCD obtenue avec 2 RS, où la localisation du MS est effectuée avec succès, en parallèle avec les rayons UL et DL utilisés pour la localisation. Dans cet exemple, les rayons estimés correspondent à des phénomènes spéculaires : un des rayons correspond à un OLOS à travers des arbres, et un autre est un rayon NLOS issu d’une réflexion spéculaire sur un bâtiment. Les erreurs d’estimation angulaires et temporelles sont relativement faibles, et la cartographie ne présente pas de résurgences.
Figure IV.4 Exemple de scénario de localisation avec 2 RS – Liaisons 4 et 6 exploitées, polarisation VV
La Figure IV.5 présente un autre exemple de cartographie de la MCD, qui donne une erreur de localisation de 60.5 mètres. Le tracé de rayons montre cette fois que les rayons UL utilisés pour la localisation ne coïncident pas avec ceux prédits par le modèle. Un des rayons utilisés a subi une erreur d’estimation angulaire (liaison 13). Il correspond vraisemblablement au rayon diffracté sur l’arête du bâtiment, mais est apparié à un autre rayon associé à une double réflexion. Le second rayon utilisé de la liaison 13 correspond à une interaction dans la végétation (diffraction ou diffusion) non modélisé par le lancer de rayons. Sur la deuxième liaison MS-RS, un seul rayon estimé correspond à un rayon réfléchi modélisé. Les autres rayons estimés correspondent à des interactions non modélisés sur des éléments métalliques de l’environnement.
Figure IV.5 Exemple de scénario de localisation avec 2 RS – Liaisons 13 et 16 exploitées, polarisation HH
La fonction de distribution cumulative des erreurs de localisation obtenues par la métrique géométrique 2D partielle est présentée Figure IV.6 pour le scénario "u" pour 1 RS et 2 RS pour le scenario "u".
Avec deux récepteurs, une précision de 10 mètres est obtenue dans 48 % et 59 %, respectivement pour les scénarios de localisation uV et uH. Notons que les performances avec deux récepteurs sont la plupart du temps améliorées par rapport à celles avec un seul récepteur, excepté lorsqu’une des deux liaisons présente une mauvaise métrique, suite à des interactions dans le canal UL non modélisées, qui dégrade la multilatération.
2.3.2. Métrique spectrale
La métrique spectrale prend en compte le signal dans sa globalité, il ne s'agit plus comme dans la MCD d'une empreinte partielle du signal composée de 2 rayons spéculaires les plus énergétiques. Le signal spéculaire estimé , utilisé par la métrique spectrale, est composé de l'ensemble des composantes spéculaires après avoir extrait les composantes diffuses. Intuitivement, la richesse de l'environnement réel, au regard de la description simple de la scène introduite dans le modèle, va conduire à un coefficient de corrélation fréquentielle entre les signaux estimés et prédits faible et donc une valeur de métrique spectrale élevée.
Pour le calcul du coefficient de corrélation moyen (équation III-20), seules les antennes recevant un maximum de puissance sont considérées, une marge de 10 dB est tolérée par rapport à la puissance maximale reçue par les antennes. Par contre, étant donnée la présence de liaisons très bruitées (liaisons 12 à 18), un critère supplémentaire de sélection des antennes doit concerner le SNR. On fixera typiquement un SNR minimum de 6 dB pour qu’une antenne, sélectionnée précédemment selon un seuil de 10 dB, soit valide pour effectuer la corrélation. Notons que ce critère ne peut pas être validé dans certains cas, où le SNR est très dégradé sur l’ensemble des antennes du réseau, notamment avec la présence importante de végétation.
En fonction de la distribution de la puissance reçue sur les antennes, la cartographie de la métrique spectrale met en évidence des difficultés pour l'estimation de la cellule contenant le MS. Ainsi, deux canaux ont été choisis pour illustrer ces difficultés rencontrées.
Dans le 1er cas, il s'agit du canal 2 en polarisation VV. La puissance totale reçue sur le réseau est uniformément distribuée sur les antennes. Les signaux reçus par toutes les antennes sont donc exploités. La cartographie des métriques spectrales calculées pour chaque cellule de l'environnement maillé est donnée en Figure IV.7 (a). Les valeurs de la métrique sont au minimum égales à 0.2, traduisant un coefficient de corrélation faible. Ceci est lié aux divergences entre les environnements réel et modélisé.
Le 2ème cas, apparaissant plus rarement, concerne la liaison 14 en polarisation VV. La puissance totale reçue est répartie sur peu d'antennes. Contrairement au cas précédent, de nombreuses cellules présentent des métriques faibles de l'ordre de 0.1, donc une très forte corrélation. La répartition de ces résurgences dans l'espace, présentée sur la Figure IV.7 (b), rend la décision sur la cellule cible impossible.
La métrique spectrale est donc inexploitable en l'état.
Les performances de la métrique spectrale obtenues avec deux récepteurs sont présentées sur la Figure IV.8. On note des erreurs de localisation très importantes, avec une précision à 10 mètres de 22 % et 14 %, et une précision à 90 % entre 59 et 57.7 mètres, respectivement pour les scénarios uV et uH.
Figure IV.7 Exemples représentatifs de cartographies de métriques spectrales – Liaison 2 VV (a) et liaison 14 VV (b)
Figure IV.8 Fonction de distribution cumulative des erreurs de localisation par la métrique spectrale, obtenues avec 2 RS Au vue de ces performances, la métrique hybride qui utilise conjointement la corrélation spectrale et la MCD perd de son intérêt.
Pour conforter cette conclusion, d'autres environnements pourraient être envisagés. On peut estimer que le campus de Lille est représentatif d'un environnement urbain déjà défavorable, incluant de la végétation, et des éléments non pris en compte dans le DEM tels que les escaliers ou grillage. Cependant, il ne représente pas le pire scénario, qui serait par exemple caractérisé par des passages fréquents de voitures et de personnes, et par la présence de rues étroites (canyon urbain). Dans d’autres conditions plus drastiques que celles du campus de Lille, la métrique spectrale ne pourra pas donner de meilleurs résultats de localisation, car les divergences entre modèle et réalité seraient davantage accentuées.
2.3.3. Synthèse des performances
Le Tableau IV-3 résume les performances expérimentales obtenues pour le scénario "u", pour les métriques géométriques et spectrales, obtenues avec deux récepteurs.
Tableau IV-3 Performances expérimentales pour les modes de localisation uV et uH, avec 2 RS
% succès % erreur ≤10m % erreur ≤20m % erreur ≤30m Précision à 50% (m) Précision à 90% (m) RMSE (m)
mcd
uV 18 48 75 81 < 11.2 < 51.5 27 uH 23 59 76 82 < 9 < 47.8 25.3m
corr uV 3 22 40.7 60 < 26.9 < 59 35.3 uH 1.5 14.3 37.1 56.4 < 27.9 < 57.7 36.3La métrique géométrique partielle présente des performances encourageantes et sera donc utilisée seule par la suite. Ses performances sont uniquement dégradées lorsque l’hypothèse qu’au moins deux rayons estimés du canal réel correspondent avec les rayons prédits les plus énergétiques n’est plus validée.