Chapitre II. Caractéristiques des systèmes de communications VLC
II.5. Définition et modélisation d’un système VLC en milieu fermé
II.5.5. Simulation du canal VLC
L’une des premières méthodes utilisées pour estimer la réponse impulsionnelle d’un canal optique sans fil fut proposée par Gfeller-Bapst [121] en 1979. Celle-ci est basée sur la méthode de radiosité largement connue dans les domaines de l'informatique graphique. L’un des inconvénients de cette méthode est qu’elle ne permet la simulation que d’une seule réflexion optique.
Clement Le Bas | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2017 58
En 1991, Barry et. Al [122] ont élargi cette méthode afin de permettre la simulation d’un canal optique en considérant plusieurs réflexions. Cependant, malgré les diverses améliorations apportées au cours de ces dernières années (par exemple grâce aux algorithmes de DUSTIN [123] et SCOPE [124]), cette technique souffre toujours de sa lenteur de calcul qui est associée à la complexité des modèles utilisés.
En 1998, Lopez-Hernandez et. al [125] propose d’utiliser une méthode de lancer de rayon afin d’améliorer les temps de simulations. Cette méthode est très utilisée pour la simulation du canal de propagation radio [126].
La méthode proposée, repose sur un modèle déterministe de l'environnement de simulation et sur une connaissance précise des principes physiques de la théorie de propagation des ondes optiques, elle emploie une technique d'intégration stochastique appelée « Monte Carlo » (MC).
Le premier avantage est la dépendance linéaire de la complexité de calcul vis-à-vis du nombre de réflexions, contrairement à la méthode de radiosité. Le deuxième avantage est la possibilité de modéliser les réflecteurs de l'environnement de simulation avec des modèles plus réalistes, autres que les modèles purement diffus doivent obligatoirement être utilisés dans la méthode de radiosité. Enfin, cette méthode est facilement réalisable avec une précision paramétrable par l'utilisateur et directement liée au nombre de rayons lancés. Aujourd’hui, la plupart des travaux sur l’optique sans fil utilisent des méthodes de lancer de rayons [127-129].
Il existe des logiciels comme ZEMAX [130] qui proposent de modéliser des scénarios complexes en incluant un ou plusieurs émetteurs et un récepteur. Bien que très performant, ce logiciel est très onéreux (≈ 5 000 $) et son utilisation est principalement basée sur les applications points à points ce qui est limitant en ce qui concerne l’étude de la mobilité du récepteur ou de l’émetteur.
II.5.5.2. Logiciel RaPSor
Dans notre étude, nous utilisons un logiciel nommé RaPSor également basé sur la méthode de lancer de rayons. Celui-ci a été entièrement développé au sein du laboratoire XLIM à l’université de Poitiers [131-133]. Conçu au départ pour la simulation de canaux RF, une version a ensuite été développée pour les simulations de canaux optiques [133].
RaPSor offre la possibilité d’utiliser deux algorithmes de simulation : le Ray-Shooting (RS) et le Ray-Gathering (RG). Ils sont chacun basés sur des formulations résolues par la méthode de MC et intègrent des techniques d’optimisations afin de réduire les temps de calcul. Dans le cas de la méthode RS, les rayons sont lancés à partir de l’émetteur alors que la méthode RG consiste à générer des rayons à partir du récepteur. En outre, ce logiciel permet actuellement l’analyse de 3 modes de simulation : Single Input Single Output (SISO), Multiple Input Single Output (MISO) et Single Input Mulitple Output (SIMO).
Il a été montré dans [131,132] que les deux méthodes RG et RS donnaient les mêmes résultats. Cependant, l’algorithme RG présente des temps de calcul beaucoup plus faibles de par le nombre de rayons à considérer pour faire converger les résultats (40000 contrairement à 1000000 pour le RS), et ce quel que soit le mode de simulation (SISO, MISO …). De ce fait, on privilégiera dans cette étude l’utilisation de l’algorithme RG.
Clement Le Bas | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2017 59
Une autre particularité de ce logiciel est de permettre la modélisation de structures 3D plus ou moins complexes dans l’environnement considéré. De plus, il est possible de modéliser des objets mobiles, auxquels on peut associer des émetteurs et/ou des récepteurs. De ce fait, ce logiciel est donc particulièrement adapté à l’étude menée dans cette thèse.
Définition de l’environnement (dimensions, caractéristiques des surfaces/matériaux …) Paramètres des sources (ordre d’émission, position …) Configuration simulateur (MISO, SIMO, mode de simulation …)
Paramètres des récepteurs (FOV, surface de réception …)
Matlab Création d’un fichier de simulation au format .xml
RaPSor Chargement du fichier et lancement de la simulation
Sauvegarde des résultats contenant la RI (htotal(t)) au format .xml
Matlab Extraction
Drms Htotal(0)
Analyse
Clement Le Bas | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2017 60
La mise en œuvre d’une simulation avec RaPSor s’effectue à l’aide d’un fichier au format .xml. Celui-ci comprend l’ensemble des paramètres nécessaires pour la simulation du scénario considéré, comme la définition de l’environnement, des émetteurs, des récepteurs, etc …. Pour créer ce fichier nous utilisons le logiciel Matlab. Les résultats obtenus après simulation sont également obtenus sous le format .xml. Le fichier de sortie contient la ou les réponses impulsionnelles associées aux couples émetteurs/récepteurs définis dans le fichier de simulation. Afin d’extraire et exploiter les résultats, on utilise une nouvelle fois le logiciel Matlab. La figure II-21 illustre un logigramme de ce fonctionnement. Les annexes I et II contiennent respectivement un exemple de fichier de simulation ainsi que le fichier de résultats obtenu avec RaPSor.