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Traitement de signal ultra large bande (UWB); applications en communication et localisation

Nous vous rappelons que, afin de garantir l'accès de tous les inscrits aux salles de réunion, l'inscription aux réunions est gratuite mais obligatoire.

Inscriptions closes à cette réunion.

Inscriptions

12 personnes membres du GdR ISIS, et 19 personnes non membres du GdR, sont inscrits à cette réunion.
Capacité de la salle : 50 personnes.

Instructions pour une demande de mission par le GdR ISIS

Le GdR ISIS prend en charge les déplacements des organisateurs des réunions et des orateurs. Le GdR prend aussi en charge les déplacements des participants aux réunions membres d'un laboratoire adhérent du GdR dans la limite d'un doctorant et d'un permanent par laboratoire académique et par réunion, ou d'une personne par adhérent du club des partenaires et par réunion.

La plus grande partie du budget du GdR ISIS est consacrée à la prise en charge de ces missions. Pour que le GdR puisse financer le plus grand nombre de réunions, les participants à ces réunions sont vivement incités à choisir les billets les moins chers. Seuls les billets de train ou d'avion en deuxième classe, non échangeables et non remboursables sont pris en charge. Le GdR se réserve le droit de refuser une demande de billet dont le prix excède la moyenne des prix couramment pratiqués pour le trajet de la mission.

Pour le transport et pour l'hébergement, vous êtes priés d'utiliser le portail SIMBAD du CNRS si vous en avez la possibilité. Cela est en particulier obligatoire si vous êtes membre d'une unité CNRS (UPR, UMR, UMI, URA, FRE). Les réservations d'hôtel sont possibles si la réunion dure plus d'une journée ou si le lieu d'habitation le justifie. Dans le cas où le laboratoire n'est pas une unité CNRS, merci d'envoyer votre demande de prise en charge de la mission à l'adresse DR01.SoutienUnites@cnrs.fr en précisant que la mission relève du GdR ISIS. Si vous utilisez votre véhicule personnel pour une distance supérieure à 300 kilomètres (aller+retour), le GdR ISIS ne rembourse pas vos frais de transport.

Les demandes de mission et les réservations sur le site SIMBAD doivent impérativement être effectuées au moins deux semaines avant la date de la mission.

Aucun remboursement de frais de transport ou d'hôtel avancés par l'agent ne peut plus être effectué au retour de la mission.

Annonce

Depuis son approbation par la FCC Américaine en 2002, la technologie Ultra Large Bande (UWB) a suscité un très large intérêt au sein de la communauté de la recherche sur les communications sans fil, en raison de ses nombreux atouts liés à la courte durée des formes d'ondes transmises. L'UWB est aujourd'hui considérée comme viable au plan industriel; en particulier, la technique UWB impulsionnelle constitue une solution très pertinente pour les réseaux de capteurs sans fil, pour sa capacité à répondre conjointement à des objectifs de localisation et de transmission de données. La solution est notamment retenue dans le cadre des standards IEEE 802.15.4a et IEEE 802.15.6, spécialement développés pour les applications de communications et/ou de positionnement à courte distance, respectivement pour les réseaux WPAN ou WBAN . Le déploiement d'une solution de communication UWB requiert la mise en œuvre d'algorithmes de traitement du signal spécifiques pour gérer plusieurs difficultés résultant de la très haute résolution temporelle des signaux :

L'objectif de cette journée est de faire le point sur les progrès méthodologiques récents dans ce domaine, les apports sur le plan applicatif et les problèmes ouverts.

La journée comprendra le matin 4 exposés invités; l'après-midi est ouverte pour des présentations d'une durée d’environ 30 minutes chacune.

La journée est co-organisée par le Lab-STICC (UMR CNRS 6285) et l'IETR (UMR CNRS 6164).

Contacts

Programme

09h45 - 10h00 : Ouverture

10h00 - 10h45 : Benoît Denis (CEA-Leti), Recent Advances and Trends in the Field of Impulse Radio – Ultra Wideband Localization – An Overview

10h45 - 11h15 : Benoit Miscopein (Orange Labs), Détection non cohérente et résolution temporelle : application à la radio impulsionnelle.

11h15 - 11h45 : Philippe Ciblat (Telecom ParisTech), Performance analysis of IR-UWB in multi-user environment.

11h45 - 12h15 : Jean Schwoerer (Orange Labs), "RUBY : vers le prototypage d'une radio UWB selon le standard 802.15.6"

13h45 – 14h15 : Laurent Clavier (TELECOM Lille), Pulse shaping with width randomisation for IR-UWB signal

14h15 – 14h45 : Philippe Mary (INSA Rennes), Multi-Rate Resource Allocations for TH-UWB Wireless Communications

14h45 – 15h15 : Jorge Pardinas (Telecom SudParis), Mesure de distance basée sur l’estimation du temps d’arrivée grâce à un récepteur TR-UWB d’architecture simple

15h15 – 15h30 : pause

15h30 – 16 h00 : Bogdan Cristea (ESPCI ParisTech), A prototype system for indoor localization using the IEEE 802.15.4a UWB standard

16h00 – 16h30 : Bernard Uguen (IETR, Univ. Rennes 1), Pylayers : un nouvel outil de modélisation de la propagation UWB orienté localisation.

Résumés des contributions

Recent Advances and Trends in the Field of Impulse Radio – Ultra Wideband Localization – An Overview

Benoît Denis (CEA-Leti)

For about one decade, the Impulse Radio – Ultra Wideband (IR-UWB) technology has been slowly -but surely - emerging as a relevant solution to localize wireless devices with unprecedented sub-metric precision levels. Now that key RF design issues have been solved (and that the IEEE 802.15.4a low data rate standard is under implementation), research efforts have been recently devoted back to algorithmic and modelling aspects. One concern is for instance to guarantee, with a limited access to costly elements of infrastructure, a spatially-uniform quality of the localization service, independently of the operating conditions (e.g. wall/body/furniture obstructions, bad geometric dilution of precision, poor radio coverage and connectivity). Another goal is to enrich the location information itself and thus, to enable new forms of context awareness. After briefly recalling basics and practical limitations of the IR-UWB localization, one recent example of advanced ranging-enabled hardware realization will be provided. The talk will then focus on various algorithmic approaches currently under investigation, regarding e.g., the use of intrinsic multipath diversity as informative location-dependent information, the opportunistic hybrid data fusion and peer-to-peer cooperation among mobiles, the self-adaptation of the localization system to its environment or the assessment of user-centric mobility.

Détection non cohérente et résolution temporelle : application à la radio impulsionnelle

Benoit Miscopein (Orange Labs) 

Par nature, un récepteur non cohérent peut induire une perte de résolution temporelle sur le signal reçu, du fait de l'utilisation d'un intégrateur dans la chaîne de réception. Cet intégrateur permet d'accumuler l'énergie du signal utile, rendant ce principe de réception particulièrement adapté à des signaux épisodiques en présence de canaux de propagation dispersifs. Appliquée à la radio impusionnelle à ultra large bande (UWB pour Ultrawide Band), la réception non cohérente est tout à fait pertinente et se présente aujourd'hui comme une des grandes classes des implémentations de l'état de l'art.

Cependant, la durée de l'intégration nécessaire pour accumuler suffisamment d'énergie (par agrégation des multitrajets) et permettre une démodulation performante provoque une réduction substantielle de la résolution du signal, essence même de l'intérêt de cette technologie radio. Dans cet exposé, après une brève introduction à l'UWB impulsionnelle, le compromis entre résolution temporelle du récepteur et performances sera abordé, pour montrer qu'il est possible, en présence de canaux dispersifs et d'interférence co-canal, de conserver une architecture de réception simple tout en garantissant une qualité en démodulation satisfaisante.

Performance analysis of IR-UWB in multi-user environment

Philippe Ciblat (Telecom ParisTech)

In Impulse Radio Ultra Wide Band (IR-UWB) based systems, we show that the Multi-User Interference (MUI) assuming fixed spreading codes can be well approximated by a Generalized-Gaussian Distribution (GGD). Then, we derive an accurate closed-form expression of the approximation for the Average Error Probability (AEP) in both Direct-Sequence (DS) and Time-Hopping (TH) multiple access context. From this approximation, we are able to characterize and to select the set of codes minimizing the AEP for both multiple access techniques. The merit of each multiple access technique is then analyzed: we especially prove that the probability to find an optimal pair of codes goes to one when increasing the number of chips per symbol with TH technique whereas this probability goes to zero with DS technique. Numerical illustrations confirm our claims.

RUBY : vers le prototypage d'une radio UWB selon le standard 802.15

Jean Schwoerer (Orange Labs)

Pulse shaping with width randomisation for IR-UWB signal

Laurent Clavier (TELECOM Lille)

Dans ces travaux nous proposons d'utiliser un code modifiant la largeur des impulsions utilisées pour la transmission d'un élément d'information dans les transmissions ULB par impulsions. Nous optimisons ce code des largeurs d'impulsion pour à la fois optimiser l'occupation spectral et réduire les interférences multi-utilisateurs. Nous étudions les performances de ce système et proposons également une étude détaillée des interférences afin d'en proposer des modèles bien adaptés.

Multi-Rate Resource Allocations for TH-UWB Wireless Communications

Philippe Mary (INSA Rennes)

In this presentation, we are interested in resource allocation strategies for wireless time-hopping ultra-wide band (TH-UWB) communications with multiple rate capabilities between users. Multiple rates are achieved by assigning different processing gains, i.e. N_f, to users. For this purpose, the multiple-access interference (MAI) variance accounting for multi-rate is needed. It is a challenging task due to the lack of a suitable closed-form expression for the MAI variance in a multi-rate context. We further study the multi-rate resource allocation problem in uplink TH-UWB systems for which an optimal search cannot be envisaged due to the exponential complexity induced. Our contribution lies in three-fold: i) A new intercode correlation expression accounting for multi-rate communications is derived, and the variance of the MAI averaging over the codes is obtained. ii) The multi-rate resource allocation problem is tackled by relaxing the integer constraint on the processing gains and modeled via a signomial programming problem. iii) Based on this, a branch and bound (BB) algorithm is derived for the allocation of the processing gains in TH-UWB systems. We also propose a really simple heuristic with linear complexity for the N_f allocation. We show that the algorithm proposed outperforms the BB algorithm in average throughput and average starvation rate.

Mesure de distance basée sur l’estimation du temps d’arrivée grâce à un récepteur TR-UWB d’architecture simple

Jorge Pardinas (Telecom SudParis)

Cet exposé aborde une méthode d’estimation du temps d’arrivée (TOA), pour la localisation en intérieur, basée sur une architecture de réception simple des signaux Ultra Large Bande (UWB) à double impulsion (TR-UWB). La méthode est un produit du travail de thèse réalisé dans le cadre du projet Communication de Proximité du département EPH (Electronique et Physique) en collaboration avec le département CITI (Communications, Images et Traitement de l’Information) de l’Institut Télécom Sud Paris. Les objectifs étant de réaliser des dispositifs de communications de proximité avec un matériel simple, à coût relativement bas et à faible consommation électrique pour des applications comme la localisation en intérieur (mesure de distance). Le projet comporte la mise au point d’un récepteur basé sur une méthode de détection pseudo-cohérente des signaux TR-UWB, méthode désignée par Time Delayed Sampling and Correlation (TDSC), et permettant une réception sans estimation du canal. La mesure de distance repose sur l’estimation du temps d’arrivée qui est réalisée en deux étapes. L’objectif est de trouver le début de l’impulsion correspondant au premier trajet reçu de manière efficace par rapport aux calculs à faire et au temps disponible. Le principe d’estimation du TOA est basé sur le changement de valeurs du signal reçu au long d’un symbole. Les changements sont identifiés à travers la dérivée de la corrélation glissante du symbole. Dans une première étape, on fait une recherche grossière et rapide dans le symbole reçu, afin d’identifier le morceau (ou bloc) où se trouve l’impulsion correspondant au premier trajet. Dans la deuxième étape on cherche, à l’intérieur du bloc trouvé, le début de l’impulsion avec une résolution plus fine. La méthode est adaptée à l’architecture du récepteur TDSC, qui a été mis en oeuvre grâce à la réalisation d’un circuit prototype 0.35μm CMOS lors d’un travail de thèse précédent. La précision de l’estimation est fixée par la fréquence d’échantillonnage du circuit TDSC, celleci allant actuellement jusqu'à 7.5 GHz, permettant une résolution théorique de 0.133 ns c’est à-dire 4 cm. Les résultats de l’étude de performance ont montré que le principe d’estimation présente une forte probabilité de détection du bloc contenant le premier trajet (première étape) et une faible valeur de l'erreur moyenne (deuxième étape). Des expériences de transmissions sur une plate-forme modulaire de communication UWBbasée sur le circuit CMOS ont permis de valider expérimentalement cette méthode. On constate une bonne convergence entre les résultats des simulations et ceux de l'expérience, ce qui permet de vérifier effectivement l’intérêt de la méthode proposée pour la mesure de distance.

A prototype system for indoor localization using the IEEE 802.15.4a UWB standard

Bogdan Cristea (ESPCI ParisTech)

Our research project targets at providing precise indoor location for guided visits in musems. For such applications submeter precision in a 3 dimensional environment is needed such that the mobile station (the visitor can be located inside the rooms of a building (museum). For such submeter location systems IEEE has developed a standard based on the popular ZigBee technology and ultra wideband impulse radio (IEEE 802.15.4 – 2011). This standard allows to deliver precise ranging information between two devices, even in the absence of a line of sight propagation path. Further, when ranging information from three or more base stations is available, the precise location of the mobile station can be computed using trilateration methods.

We have generalized existing results for computing the 3D position based on a ML estimator when several measurements are available.Geometry-based methods (spherical and hyperbolic trilateration) are compared when the noise affecting the measurement is additive white Gaussian. We show that in the presence of noise, spherical trilateration is less sensitive to errors on measurements. These results will be further tested on a prototype system for indoor localization which uses the IEEE 802.15.4a UWB standard.

Pylayers : un nouvel outil de modélisation de la propagation UWB orienté localisation

Bernard Uguen (IETR, Univ. Rennes 1)

La présentation décrit les principaux objectifs de l'outil, les fonctionnalités implémentées, et les évolutions  envisagées. 

Le code est présenté sur le site www.pylayers.org, et téléchargeable sur github à l'adresse

https://github.com/pylayers/pylayers

Pylayers prend en compte la mobilité des nœuds et permet la synthèse de réponses impulsionnelles du canal radio UWB réalistes avec prise en compte intégrale des diagrammes complexes polarimétriques d'antenne.

Il peut être utilisé pour l'étude de la localisation hétérogène incluant l'impulse Radio en Indoor et en mobilité. La présentation donnera lieu à quelques rapides démonstrations des fonctionnalités de l'outil. Le code (en version beta 0.1) est le résultat de différents projets (ANR AUBADE, Région Bretagne LOCUS, FP7 UCELLS, FP7 WHERE1, FP7 WHERE2, ANR CORMORAN).

Date : 2013-01-25

Lieu : Télécom ParisTech, amphithéâtre Emeraude


Thèmes scientifiques :
D - Télécommunications : compression, protection, transmission

Inscriptions closes à cette réunion.

Accéder au compte-rendu de cette réunion.

(c) GdR 720 ISIS - CNRS - 2011-2015.