Contexte Scientifique

Sujet thèse EDITE 2014
Système de localisation indoor multiutilisateur
Responsables:
Bernard Huyart
Professeur, Telecom-Paristech 46 rue barrault, 75013 Paris, Tel : 01 45 81 72 26,
Mel : [email protected]
Jean-Christophe Cousin
Maitre de conférences, Telecom-Paristech 46 rue barrault, 75013 Paris, Tel : 01 45 81 77 07,
Mel : [email protected]
Contexte Scientifique
De nos jours, de nombreuses applications nécessitant la localisation en temps réel sont en
développement. Si le GPS est un système reconnu mondialement, en milieu indoor, il ne fournit pas
actuellement une localisation précise (Faible pénétration du signal GPS , influence des multitrajets..). Aussi la
localisation indoor est devenue un enjeu important pour des applications aussi bien militaires, commerciales
ou de santé publique. Le développement des systèmes de localisation indoor est mené suivant deux classes. La
première classe exploite l’infrastructure déjà existante des réseaux sans fil couramment rencontrés dans les
bâtiments (WiFi par exemple). La technique principale est basée sur la méthode de localisation par trilatération
exploitant le RSSI (Received Signal Strength Indicator), qui est le niveau de puissance d’un signal provenant
d’une station WLAN située à proximité du récepteur à localiser. Ce type de système nécessite conjointement
l’utilisation minimale de 3 stations de base. Si cette méthode parait efficace en intérieur dans des espaces vides
ou homogènes, la précision se dégrade rapidement lorsque le milieu devient hétérogène avec la présence de
murs, mobiliers etc. Des méthodes ont été développées pour appréhender ce problème. Pour améliorer la
précision, une première technique connue est le “fingerprinting” qui consiste à discrétiser la surface de
localisation par une maille et de mesurer la puissance des signaux provenant de chaque station sur chaque
nœud de la maille. Cette méthode devient assez lourde lorsque le milieu environnant (mobilier ...) change
souvent.
La seconde classe de systèmes utilisent ses propres infrastructures. Les méthodes alors couramment
utilisées exploitent la différence de temps d’arrivée (TDOA), de phase d’arrivée (PDOA) ou de fréquence
d’arrivée (FDOA). A Telecom Paristech nous avons développé un prototype permettant la localisation 3D, en
coordonnées polaires, d'un badge transpondeur par une mesure conjointe de distance et d'angles en azimut et
élévation. Le système est basé sur l’utilisation d‘une structure de radar monopulse (exploitant un signal FMCW
frequency modulated continuous wave dans la bande de fréquence UWB européenne 6-8.5 GHz) avec un canal
d'émission associé à son antenne et 4 canaux de réception équipés de leur propre antenne et équi-répartis sur
une base orthonormée dont l'antenne d'émission est le centre. L’avantage de ce système est d’utiliser qu’une
seule base de localisation (LBS) du fait d’une structure de type radar. Cette base intègre une source FMCW
produisant un signal couvrant la bande 6-7 GHz. Ce signal est transposé en fréquence dans la bande 7.5-8.5
GHz et transmis par une antenne d’émission Tx. Le mobile à localiser est un badge actif (transpondeur) réalisé
avec une antenne d’émission/réception Txt/Rxt, un duplexeur (pour la séparation des voies uplink et downlink),
un filtre passe bande (downlink 7.5-8.5 GHz), un amplificateur suivi d’un mélangeur pour une transposition de
fréquence pour passer dans la bande 6-7 GHz puis d’un filtre passe bande uplink (6-7 GHz) raccordé au
duplexeur. Cette transposition de fréquence permet d’éliminer les effets de boucle ou feedback dans le badge.
Le signal réémis vers la station LBS est reçu par 4 antennes Rx. Sur chaque canal de réception, le
décalage fréquentiel des signaux reçus (Rx) par rapport au signal émis (Tx) est mesuré. Les 4 signaux de sortie
sont sinusoïdaux. La position relative du badge par rapport à la LBS peut être déterminée en coordonnées
polaires. La distance entre le badge et la station LBS est déterminée directement par la moyenne des 4
décalages fréquentiels et l’utilisation d’algorithme classique des radars FMCW. Les angles relatifs de position
(azimut et élévation) du badge sont déterminés à partir de la comparaison des différences de phase des
signaux en bande de base fournis par les canaux de réception associés aux antennes Rx. Les coordonnées
cartésiennes du badge sont alors simples à retrouver si la position de la station LBS est connue. Un avantage à
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mettre en avant est qu’il n’est pas nécessaire d’utiliser une horloge de synchronisation du fait de l’utilisation
d’une structure du type radar monopulse.
La méthode a été validée pour un badge dans le cas LOS (Line of Sight) en présence de mobiliers
provoquant des trajets multiples. Les résultats ont été publiés [1] [2] et un brevet est en cours de dépôt [3]. Les
résultats sont encourageants puisque nous avons obtenus une localisation avec une erreur moyenne inférieure
à 10 cm pour une aire de localisation comprise s'étalant sur 3m de long pour une ouverture angulaire de 120°.
Dans cette proposition de thèse, nous voulons évoluer sur 2 tableaux. La première partie va consister à
valider le système dans le cadre d'une localisation de plusieurs badges. La second partie est motivée par
l'évaluation de la dégradation sur la précision dans une situation N-LOS (aucun trajet géométrique directe) et
l'apport d'une solution permettant d'améliorer la réponse du système dans ce cas.
Contenu Scientifique
L’équipe RFM, du département COMELEC-Telecom Paristech, s’intéresse aux travaux sur la localisation
de source depuis plus de dix ans. Sur la base des travaux effectués pour développer le système présenté dans le
paragraphe précédent, les travaux à mener durant cette thèse sont:
- l'étude et la réalisation d'une solution permettant la localisation de plusieurs badges simultanément.
Une base d'étude est la réalisation d'un circuit "WUR" (Wake up Radio), développé sur une carte PCB (circuit
imprimé) avec des composants commerciaux sélectionnés, permettant de rendre un transpondeur actif durant
une période assez courte et le mettre en veille le reste du temps. Ce circuit de réveil est associé à un système
d'identification (trigger Id) permettant de sélectionner le badge recherché. Une étude sera faite pour
sélectionner la bande de fréquence utile pour cette fonction et devra être incluse dans la bande dite de garde
couvrant [7.5 -8 GHz]. L'optimisation de ce circuit WUR sera effectué sous ADS.
- l'étude de la dégradation de la précision sur la localisation en milieu indoor NLOS. L'étude permettra
de sélectionner une solution soit par l'ajout d'une base LBS permettant la visibilité directe entre le badge et
l'une des stations de localisation ou l'apport d'un relais permettant de simplifier la structure en limitant la
dégradation des performances [5]. La réalisation du relais se fera à l'aide de composants commerciaux. LA
bande de fréquence couverte sera la bande de fréquence européenne UWB [6-8.5GHz]. Les antennes utilisées
seront celles réalisées pour le badge actif [6].
- l'étude et l'implantation, sur Matlab, des algorithmes permettant la sélection et l'émission du/des
codes d'identification pour la sélection du badge à localiser, ainsi que l'étude des algorithmes permettant la
localisation d'un badge dans le cas de l'emploi de relais complémentaires pour couvrir les zones en situation
NLOS
Mots clés : plateforme de localisation indoor 3D, radar monopulse, FMCW, UWB, Situation N-LOS,
Multibadges, réalisation de circuits RF, ADS software, Matlab
[1]: " Indoor Localization System for 2D Measurement in European UWB Band with One Reference Position", R
Kumar, JC Cousin, B Huyart, IMS 2014, Tampa, Floride, juin 2014
[2]: "2D Measurement using Interferometry and FMCW Multistatic Radar System for Indoor Localization", R
Kumar, JC Cousin, B Huyart, EUMW 2013, Nuremberg, Allemagne, octobre 2013.
[3]: "3D Indoor Localization System using Single Reference/Anchor Position based on Multistatic FMCW Radar
System", demande de dépot en cours
[4]: " Radio-Triggered Wake-Up for Wireless Sensor Networks", Lin Gu and John A. Stankovic, Department of
Computer Science, University of Virginia
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[5]: "Anchor-cum-Relay Nodes for Localizing a Mobile Source and Relaying Source Signals", Perez-Ramirez, J. ;
Borah, D.K. Vehicular Technology Conference (VTC Fall), 2013 IEEE 78th Digital Object Identifier:
10.1109/VTCFall.2013.6692107
[6]: "Dual-Circular Polarized Dumbbell-Shaped Crossed-Dipole Planar Antenna for UWB Application", Rupesh
Kumar, Bernard Huyart, J. C. Cousin et Kaïs Mabrouk, EUCAP 2013, GOTEBORG, Avril 2013
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