Gérer les urgences avec un faible

Le prototype, composé d'une seule liaison de communication Tx-Rx, a été testé dans des scénarios de communication intérieur-intérieur, extérieur-extérieur et extérieur-intérieur et dans des conditions statiques et dynamiques. Les résultats de l'extérieur à l'intérieur indiquent qu'avec un développement ultérieur, le système de récupération des actifs et des civils (CARS) est une technologie de navigation et de positionnement prometteuse.

WAHYUDIN P. SYAM, DAVID SCOTT, ALEJANDRO PÉREZ CONESA, VMG

IGNACIO RODRÍGUEZ, MELISA LÓPEZ LECHUGA, ENRIC JUAN MARTINEZ, DÉPARTEMENT DES SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES, UNIVERSITÉ D'AALBORG

RIGAS THEMISTOKLIS IOANNIDES, AGENCE SPATIALE EUROPÉENNE

Les modes de crise, à la suite de catastrophes naturelles ou causées par l'homme, peuvent se produire n'importe où et n'importe quand, les équipes d'intervention s'appuyant fortement sur les infrastructures de télécommunication et de localisation limitées disponibles pour soutenir les opérations de sauvetage. La disponibilité des capacités de navigation et de communication dans ces situations est vitale à la fois pour les utilisateurs en détresse et les équipes de sauvetage opérationnelles principales, car les précisions de position obtenues détermineront l'efficacité de la récupération.

Dans ces situations, un certain nombre de défis doivent être surmontés pour fournir une navigation résiliente et fiable. Ceux-ci incluent l'absence d'accès aux sources d'alimentation, des environnements imprévisibles et le manque d'infrastructures terrestres opérationnelles. Ces défis sont problématiques pour le positionnement basé sur GNSS ou terrestre [1]. De plus, dans des scénarios difficiles à l'intérieur ou dans des canyons urbains ou des catastrophes résultant d'avalanches, d'inondations ou de guerres, les solutions de navigation actuelles, en particulier celles basées sur le GNSS, ne sont pas adéquates pour prendre en charge les fonctionnalités de navigation requises.

Il existe plusieurs systèmes de communication et de navigation disponibles pour les scénarios de reprise de crise et d'urgence. Ils comprennent:

Talkies-walkies :Un système de communication semi-duplex qui utilise des signaux radio basse fréquence [2] et est l'outil de base pour la communication en cas d'urgence.

Radioamateurs :Communication radio qui fonctionne dans un spectre de signal alloué par un amateur et est établie via l'ionosphère pour une couverture à large portée qui est utile dans les situations d'urgence [3].

Radio à ressources partagées : Un système de communication directe qui s'appuie sur un réseau contrôlé par ordinateur pour gérer les attributions de canaux entre différents utilisateurs. Il a une efficacité spectrale pour accueillir la voix et les données à bas débit, ce qui est essentiel en cas de crise. [4].

Cellule sur roues : L'invention concerne un système de communication cellulaire mobile basé sur un véhicule où une tour de communication et un équipement de récepteur trans sont montés. Une cellule déployable peut se connecter à un réseau de communication principal via un backhaul satellite [5], établissant rapidement une bande de fréquence de 700 MHz avec plusieurs kilomètres de couverture pour les premiers intervenants.

Réseau mobile ad-hoc : Un système de communication basé sur des réseaux Wi-Fi ad hoc avec une portée de communication limitée [6]. Un cadre de système ad hoc mobile basé sur un smartphone qui exploite les modules Bluetooth/Wi-Fi/Sound disponibles pour compléter les réseaux maillés basés sur le matériel a été présenté [7].

Réseau ad hoc de station de base: Un système de communication construit à partir de stations de base déconnectées pouvant se connecter à des réseaux cellulaires [8].

Réseaux maillés sans fil :Ceux-ci consistent en un réseau sans fil multi-sauts auto-réparateur et auto-configurant avec différents types d'architectures avec une couverture limitée [9].

UAV et systèmes sans fil basés sur des ballons [10] : Les drones ont été utilisés comme nœuds mobiles pour étendre la couverture des systèmes de communication existants, établis à l'aide des bandes de fréquences UHF et VHF, afin de fournir une connectivité aux utilisateurs situés dans les zones sinistrées [11,12]. Un système prototype pour un réseau de ballons utilisant deux nœuds sans fil dans le ciel pour établir des communications d'urgence via un point d'accès et un répéteur a été proposé [13]. Ce système basé sur un ballon a été testé sur des environnements intérieurs et extérieurs et affiche une portée de couverture allant jusqu'à 2 400 m.

Communication coopérative d'appareil à appareil (D2D) : Un système qui permet la communication entre des appareils mobiles à proximité en établissant des liens cellulaires ou ad hoc [14]. L'utilisation de ces systèmes a été démontrée pour la communication d'urgence [15].

Pour la navigation et le positionnement en extérieur, le GNSS est devenu courant, avec ses applications largement répandues et accessibles à la plupart des utilisateurs de smartphones. Le GNSS est basé sur des constellations de satellites dans l'espace (généralement en orbite terrestre moyenne) qui émettent un signal contenant une pseudo-distance, une orbite et une synchronisation qui sont utilisées pour reconstruire la position des récepteurs GNSS sur Terre [16]. Le GNSS a une couverture mondiale, est dans la gamme des fréquences micro-ondes et est efficace pour une utilisation en extérieur, en particulier dans des conditions de ciel ouvert. Cependant, les signaux GNSS sont faibles et vulnérables aux obstacles tels que les murs, les toits et les tunnels. Des exemples de constellations GNSS mondiales bien connues sont GPS [17], GLONASS [18], GALILEO [19] et BEIDOU [20].

Il existe des systèmes de positionnement et de navigation en intérieur basés sur des signaux radiofréquence, optiques, acoustiques, magnétiques et des méthodes hybrides de positionnement en intérieur telles que la fusion de capteurs comme le LiDAR et les capteurs inertiels. Des exemples de systèmes de positionnement intérieur par radiofréquence comprennent l'identification (RFID), le Bluetooth à faible consommation d'énergie (BLE), le Wi-Fi, le Zigbee et les systèmes à bande ultra large [21]. Le positionnement basé sur le signal optique traite les signaux optiques dans les fréquences de lumière infrarouge et visible [22,23]. Les capteurs à photodiode peuvent capturer les lumières réfléchies qui contiennent des données, telles que des informations de position. D'autres technologies moins populaires tirent parti des signaux acoustiques et magnétiques pour les positionnements intérieurs à faible portée [24,25].

La plupart des systèmes de communication et de navigation précités présentent des inconvénients qui rendent difficile leur utilisation en cas d'urgence. Par exemple, la plupart ne fournissent que des données de communication et ne sont pas capables de fournir la navigation et la localisation (ou autre), pour les communications extérieures uniquement ou intérieures uniquement. Ils sont également gros et lourds, ne sont pas portables, nécessitent une alimentation électrique, nécessitent des tours cellulaires de communication et d'autres infrastructures terrestres, ont une puissance de signal et des capacités de propagation de signal faibles (telles que GNSS), ont une petite zone de couverture, ont besoin de systèmes spécialisés l'équipement et les utilisateurs formés (tels que les radios amateurs et à ressources partagées), ne peuvent être utilisés qu'à l'intérieur ou à l'extérieur et ne sont destinés qu'à une utilisation statique. En cas de catastrophe naturelle, un système de communication polyvalent, autonome et flexible pour le positionnement et la navigation pouvant être utilisé pour les communications extérieur-extérieur et extérieur-intérieur dans des conditions statiques et dynamiques ainsi que dans des environnements difficiles est nécessaire. .

La première étape de développement d'un système civil et de récupération des actifs (CARS) flexible et rapide à déployer qui fournit des capacités de positionnement dans les situations de crise et surmonte ces défis est présentée dans cet article. Le système tient compte de ces limitations, telles que la capacité de communication extérieur-extérieur et extérieur-intérieur, et envisage de relever d'autres défis, tels que la nécessité de couvrir des zones plus larges, le besoin d'appareils légers à la transmission et à la réception, et la besoin de flexibilité et de configurabilité pour soutenir les opérations dans des conditions hostiles imprévisibles.

Figure 1 illustre l'importance de CARS en cas d'urgence. DansFigure 1, de nombreuses victimes peuvent être piégées à l'intérieur de bâtiments détruits ou sous terre après une catastrophe naturelle. Les CARS doivent être flexibles, se déployer rapidement et fournir de bonnes capacités de propagation du signal (de l'extérieur à l'intérieur) pour transmettre les signaux de navigation aux récepteurs souterrains ou à l'intérieur des bâtiments détruits. DepuisFigure 1, l'unité de transmission CARS (Tx) doit être légère, alimentée par batterie, facile à monter sur de nombreux types de véhicules mobiles ou volants à déploiement rapide, et capable d'envoyer des données de navigation obtenues à partir de signaux GNSS à ciel ouvert ou de capteurs inertiels internes. Le récepteur (Rx) doit être portable et léger.

Le prototype CARS de première étape consiste en une seule liaison de communication Tx-Rx et repose sur la haute configurabilité et la flexibilité d'un dispositif radio défini par logiciel (SDR). Ce système émet des signaux qui contiennent des informations de télémétrie et présente les avantages de capacité de propagation fournis par les signaux radiofréquence basse fréquence (Low_RF). L'émetteur du système Low-RF est basé sur un SDR alimenté par batterie qui peut être monté sur n'importe quel véhicule terrestre mobile ou volant, comme les voitures, les camions, les cellules sur roues et les drones.

CARS doit exploiter de bonnes capacités de propagation du signal pour améliorer la couverture de zone du système. Les transmissions à basse fréquence (sous-GHz) ont des pertes de propagation et de pénétration extérieures dans les bâtiments inférieures à celles des transmissions à haute fréquence [26, 27], en particulier dans un environnement difficile [28]. Cette faible perte de propagation et de pénétration augmentera la capacité de transmettre et de recevoir des signaux dans un environnement encombré, comme les canyons urbains et la transmission intérieure/à plusieurs étages. De plus, avec un fonctionnement à bande passante de signal étroite, la faible puissance requise pour la transmission sera obtenue. Une propagation RF de l'extérieur vers l'intérieur dans un scénario urbain encombré est utilisée pour évaluer et étudier la capacité de propagation RF du prototype CARS de premier étage développé.

La propagation du signal RF de l'extérieur à l'intérieur est présentée dansFigure 2. Dans ce scénario, l'unité Tx est toujours à l'extérieur sur un véhicule en mouvement ou volant. L'unité Rx se trouve dans un bâtiment et est masquée par des murs et des fenêtres. La perte de propagation extérieure peut être modélisée sur le lien entre l'unité Tx et les façades extérieures du bâtiment, et vers l'unité Rx derrière les murs à l'intérieur du bâtiment. DansFigure 2, dout est la distance linéaire entre l'unité Tx et le point d'incidence sur la façade du bâtiment en tant qu'angle d'incidence spécifique θ. din est la distance linéaire entre le point incident sur la façade et l'unité Rx en passant, dans ce cas, deux murs (nwalls=2). Dans ce travail, on s'attend à ce que dout soit jusqu'à 2 km comme choix de conception de cette étude de cas. Le scénario de propagation du signal RF illustré dansFigure 2 prend en compte toutes les conditions ayant un impact sur la perte de propagation : extérieur-extérieur, extérieur-intérieur et intérieur-intérieur. Par conséquent, ce scénario peut évaluer avec précision le CARS de première étape proposé pour la communication de l'extérieur vers l'intérieur. DansFigure 2, l'encombrement urbain affecte l'angle d'incidence réel au point de façade et la hauteur de l'unité Tx affecte les trajectoires de propagation du signal. Plus la hauteur de l'unité Tx par rapport au sol est élevée, moins l'encombrement urbain aura d'effet sur la perte de propagation du signal.

Les principaux mécanismes de propagation considérés sont la propagation entre les bâtiments [29], la propagation au-dessus des toits et les diffractions multi-écrans aux bords des toits [30,31], la perte de pénétration de la façade extérieure par une fenêtre à faible atténuation et la perte due à l'angle d'incidence rasant. [32], et la perte de propagation due à la propagation intérieure guidée et aux murs/portes/ouvertures à plusieurs étages [33]. La perte de propagation totale (PLout-to-in) de la transmission extérieure-intérieure est formulée comme suit :

Où PLout est la perte de propagation pour la transmission d'extérieur à extérieur et est fonction de la hauteur de Tx hTX, de la hauteur de Rx hRX, de la distance linéaire entre le Tx et un point incident d'un bâtiment dout et de la fréquence de transmission f. LBEL est l'affaiblissement de propagation pour la transmission de l'extérieur vers l'intérieur et est fonction des matériaux de construction Bm, de la fréquence de transmission f et de l'angle d'incidence θ. PLin est la perte de propagation pour la transmission d'intérieur à intérieur et est fonction de la distance linéaire entre le point incident sur le bâtiment et l'unité Rx din et du nombre d'ouvertures dans les murs, telles que les murs, les portes et les couloirs.

Différents matériaux de construction affecteront considérablement la perte de propagation des signaux RF lors de l'entrée dans les bâtiments. Les pertes pour plusieurs matériaux sont estimées à différentes fréquences (100-500 MHz) à partir de données publiées [35,36,37]. Dans cet article, deux types de bâtiments sont considérés : traditionnels (construits principalement en briques rouges) et non traditionnels à efficacité thermique (construits principalement en verre trempé thermiquement et en poutres d'acier). Ces types de bâtiments ont une atténuation de propagation de signal différente en raison de leurs matériaux de construction, ce qui rend important d'évaluer la caractéristique de propagation des transmissions du système proposé pour les deux.

ARCHITECTURE DU SYSTÈME

L'architecture du CARS Low-RF se compose d'une unité émetteur/Tx (CREAM) et d'une unité récepteur/Rx (DREAM) qui sont basées sur des dispositifs SDR fiables et hautement configurables. Le système fonctionne à une basse fréquence de 113 MHz à 500 MHz (bandes UHF et VHF) et émet des signaux contenant des informations de distance et de vitesse. L'unité Tx est basée sur un appareil SDR compact qui fonctionne sur batterie, peut fonctionner en mode autonome et peut être monté dans divers véhicules mobiles ou volants, tels qu'un UAV, une cellule sur roue, des voitures et des camions.

Figure 3a montre l'architecture du système Low-RF. L'unité Tx fonctionne à l'aide d'une batterie et dispose d'un processeur intégré, d'un FPGA, d'un GPS embarqué et de capteurs IMU. La CPU préparera le bit de message et le code pseudo-aléatoire (PRN) puis modulera le signal. Le signal préparé est ensuite envoyé au système FPGA pour transmission. L'unité Tx peut également transmettre un signal rejoué à partir de fichiers. Bien que l'unité Tx puisse fonctionner en mode autonome, elle nécessite une connexion PC pour démarrer le fonctionnement de l'unité Tx pour la première fois. L'unité Rx est un SDR portable et doit être connectée à un PC hôte pour traiter les signaux reçus, bien qu'il puisse également s'agir d'un ordinateur portable si les spécifications de l'appareil sont suffisamment puissantes pour le traitement. Une horloge externe peut être connectée à l'unité Rx à des fins de synchronisation si nécessaire. Tout le traitement du signal, y compris le suivi, l'acquisition et la démodulation, est effectué par le PC hôte connecté à l'unité Rx. En général, le système Low-RF peut utiliser n'importe quel SDR et conception de signal appropriés.

Figure 3b montre les utilisations SDR dans le système Low-RF. L'unité Tx utilise Ettus USRP E312 [40] et l'unité Rx utilise des dispositifs Ettus X310 [41]. Le E312 comprend un SoC Xilinx Zynq 7020 (FPGA série 7 avec processeur double cœur ARM Cortex A9 866 MHz) et un RFIC Analog Devices AD9361 comme frontal RF. Cette unité Tx prend en charge une bande passante instantanée jusqu'à 56 MHz et une plage de fréquences comprise entre 70 MHz et 6 GHz. Le X310 est équipé d'une carte fille UBX160 en tant que frontal RF et dispose d'un grand FPGA Xilinx Kintex-7 (XC7K410T), d'un taux d'échantillonnage jusqu'à 120 MHz et d'une fréquence entre 70 MHz et 6 GHz, de plusieurs interfaces haut débit dont double 10GbE, PCIe Express et double 1 GbE. L'architecture d'horloge flexible permet un taux d'échantillonnage configurable et une synchronisation avec les oscillateurs disciplinés GPS haute précision en option (GPSDO). Le framework de développement FPGA RF Network on Chip (RFNoC™) et Ettus UHD sont utilisés pour le développement logiciel.Figure 4c montre deux types d'antennes utilisées pour la transmission sans fil : RETEVIS RT20 et RETEVIS RT1/3. Les deux antennes sont utilisées pour la transmission de 113 à 500 MHz.Tableau 1présente leurs spécifications détaillées.

CONCEPTION DE SIGNAL ET STRUCTURE DE BIT DE MESSAGE

La conception de signal implémentée tient compte de la capacité de traitement limitée de l'unité Tx en raison du compromis entre une faible consommation d'énergie et des capacités de fonctionnement sur batterie. La puissance de traitement est bien inférieure à une station de travail standard, de sorte que la conception du signal de l'unité doit être simple et efficace. Le signal mis en œuvre doit suivre la structure du signal CDMA à spectre étalé et mettre en œuvre une structure de signal de type GPS L1 C/A, transmis à basse fréquence de 113 MHz à 500 MHz, avec une bande passante de bande de base de 1,023 MHz, suivant le débit de puce PRN comme 1,023 Mcps [38]. Les données de navigation, contenant la position et la vitesse, utilisent une modulation par décalage de phase binaire (BPSK) modulée en phase et en quadrature (I/Q).

Les données de navigation ou de message contiennent 200 bits qui sont un préambule de 8 bits, un identifiant de message de 16 bits, 34 bits pour chaque position X, Y, Z de Earth-center-Earth-fixed (ECEF), 16 bits pour chaque ECEF X , Vitesse Y, Z et code de contrôle de redondance cyclique (CRC) 16 bits, comme indiqué dansFigure 4. Le nombre sélectionné de bits de navigation est un compromis entre le nombre d'informations à contenir et la limitation matérielle de l'unité. Ces structures de bits utilisent le système de référence de coordonnées ECEF pour une traduction facile vers tout autre système de coordonnées, ont un positionnement haute résolution et utilisent l'ID de message pour le suivi et la vérification des messages et la synchronisation Tx-Rx. La granularité de position (résolution) du bit de navigation est calculée comme suit :

Étant donné que la position (en mètres) est de 24 bits pour représenter la partie entière de la position et de 10 bits pour représenter la virgule décimale de la position, la plus petite valeur que le bit de position peut représenter est lorsque tous les bits sont à zéro, sauf le moins significatif bit (le 34ème bit), est 1. Par conséquent, lorsque seul le bit le moins significatif est 1, le bit représentera 1/210, c'est-à-dire que la granularité de position est d'environ 0,000976 m = 0,976 mm.

PRÉPARATION ET MODULATION DES MESSAGES DE NAVIGATION

Il est important de noter que contrairement à la réception, où la fréquence d'échantillonnage ne doit pas être un multiple entier du débit de données (à une fréquence d'entrée spécifique), la fréquence d'échantillonnage pour la transmission doit être un multiple entier du débit de données [39]. Pour transmettre les signaux de navigation, il est nécessaire de sur-échantillonner les signaux de 1,023 Mcps pour qu'ils soient au moins 2 Mcps et le multiple entier du taux d'échantillonnage des transmissions. Le signal doit être suréchantillonné à au moins 2 Mcps avant d'être envoyé au traitement numérique-analogique (DAC) de l'unité Tx. Pour sur-échantillonner le signal, le code PRN est traité par période de 1 ms. Le PRN utilisé a 1 023 échantillons par 1 ms. A partir de ces 1 023 échantillons, un processus de sur-échantillonnage est appliqué. Le processus de suréchantillonnage augmente le nombre d'échantillons ou de puces du PRN à une période de 1 023 échantillons par 1 ms (égal à 1,023 million d'échantillons par 1 s, c'est-à-dire un nombre non entier par million) à 2 000 puces par 1 ms. En faisant ce sur-échantillonnage, le nombre d'échantillons du PRN devient 2 millions d'échantillons par période de 1 s (nombre entier par million). Étant donné que les puces PRN suréchantillonnées ne sont pas exactement 2 × (c'est-à-dire 2 000 échantillons par 1 ms) des puces PRN de base (1 023 échantillons par 1 ms), certaines puces sont multipliées par 1 × ou 2 ×.

Pour le PRN suréchantillonné avec 2 000 échantillons par 1 ms, deux ensembles de chaînes de bits sont préparés, l'un avec la somme modulo 2 avec 0 bit (pour les données de navigation 0 bit) et l'autre avec la somme modulo 2 avec 1 bit (pour la navigation 1 bit données). Comme les données de navigation ont 200 bps, la période de chaque bit est de 5 ms. Par conséquent, l'ensemble du message de navigation est préparé toutes les 5 ms. Si le bit de données de navigation est 0, alors l'ensemble de chaînes de bits qui a été sommé modulo 2 avec le bit 0 est utilisé. Enfin, tous les échantillons de données de navigation pour une période de 1 s (2 millions d'échantillons) sont modulés BPSK en changeant la valeur 0 bit en 1 et la valeur 1 bit en -1. À partir des 2 Mcps des signaux suréchantillonnés, ces signaux sont ensuite envoyés au DAC de l'unité TX à une fréquence d'échantillonnage de> 2 × 2M = 4 Mcps. Dans notre cas, le taux d'échantillonnage Tx est défini sur 6 Mcps (MHz). Ce taux d'échantillonnage de 6 Mcps est choisi expérimentalement. Les expériences effectuent des tests de transmission-réception avec différents taux de suréchantillonnage et taux d'échantillonnage de transmission pour trouver les valeurs maximales que l'unité Tx peut traiter.

SENSIBILITÉ DU RÉCEPTEUR

Ceci est estimé expérimentalement dans des conditions de laboratoire. Le test de sensibilité est effectué en réduisant la puissance du signal émis par l'unité Tx jusqu'à ce que le signal ne puisse plus être acquis par l'unité Rx. La transmission entre l'unité Tx et Rx utilise une connexion par câble pour éviter toute perturbation externe. Lorsque les signaux reçus ne peuvent pas être acquis, les signaux ne peuvent pas être suivis et par conséquent ne peuvent pas être démodulés. L'analyse de sensibilité commence par la transmission des signaux de l'unité Tx à la puissance minimale, qui dans ce cas est de -43,7 dBm. Ce niveau de puissance tient compte du signal généré par l'unité Tx plus toute atténuation causée par la connexion par câble. L'atténuation est progressivement ajoutée à l'entrée du récepteur jusqu'à ce que le traitement du signal ne puisse pas acquérir les signaux reçus par l'unité Rx. Sur la base de ces tests, la sensibilité du système Low-RF se situe entre -115 dBm et -120 dBm à une bande passante de 10 MHz. Il est important de noter que ces valeurs de sensibilité sont la meilleure sensibilité possible, car l'atténuation due aux dégradations du canal est minimale en raison de la connexion par câble. La sensibilité devrait être inférieure à la sensibilité obtenue à partir du test en laboratoire dans des scénarios réels, car davantage de facteurs tels que les dégradations de canal, le couplage de phase et d'autres pertes de propagation du signal ajoutent à l'atténuation.

Cette section présente les résultats des tests de transmission sans fil effectués à la fois en laboratoire, en intérieur, en extérieur (test initial du système) et dans des scénarios réels. Pour être classées comme une transmission réussie, les données démodulées au niveau de l'unité Rx doivent être correctes ou correspondre aux données envoyées par l'unité Tx. Ce critère principal est quantifié par le taux de réussite, c'est-à-dire le nombre de données démodulées correctes au niveau de l'unité Rx par nombre total de données transmises par l'unité Tx. Les positions X,Y,Z et les vitesses dans le système de coordonnées ECEF sont obtenues à partir du capteur GPS dans l'unité Tx, puis fixées pour les tests de transmission. Dans toutes les expériences, le taux d'échantillonnage au niveau de l'unité Rx est de 10 MHz. Avant les tests de scénarios réels, des tests initiaux du système sont effectués pour vérifier la chaîne de traitement du signal de bout en bout et pour sélectionner la meilleure fréquence pour les expériences de scénarios réels.

EXPÉRIENCES DE TEST INITIALES DU SYSTÈME :

Transmission contrôlée avec canal physique et transmission sans fil fermée

Ce test valide la modulation et la démodulation du signal et les caractéristiques de l'antenne. Les activités testent l'ensemble de la chaîne de traitement du signal de bout en bout, depuis la préparation et la modulation des messages de navigation jusqu'aux processus de réception, d'acquisition, de poursuite et de démodulation du signal.Figures 5a et Figure 5b montrent la configuration de la transmission filaire et la transmission sans fil à une distance de 0,3 m en visibilité directe. Le signal reçu de la transmission filaire à 400 MHz contient un minimum de bruit. Les signaux en bande de base ont une puissance supérieure au bruit ainsi qu'un fort pic de corrélation(Figure 7-haut).Les processus de suivi du signal sont très stables(Figure 8-haut). Notez que, bien que le Tx et le Rx soient statiques, il existe une fréquence Doppler jusqu'à 400 Hz en raison du bruit d'horloge TCXO, qui est généralement de 1 à 2 ppm, au niveau de l'unité Rx [38]. Semblable à la transmission filaire, la transmission sans fil à courte distance (à 113, 144, 400 et 500 MHz) a un faible bruit, à l'exception de quelques fluctuations pendant les processus de suivi du signal. Un taux de réussite de 100 % est obtenu à partir des transmissions filaires et sans fil à courte distance(Tableau 2).

Transmission statique d'intérieur à intérieur

Figures 6a et 6b présentent des expériences de couloir intérieur réalisées à 8 m (largeur du couloir = 2 m) et d'intérieur entre les pièces à 10 m, entre le Tx-Rx respectivement. Ces expériences incluent des dégradations de canal telles que des effets de trajets multiples et de blocage. Les transmissions prennent en compte différentes combinaisons de configuration pour les antennes 1 et 2 à 113, 133, 144, 400 et 500 MHz. Les résultats de ces expériences montrent un taux de réussite de transmission de 100 %, comme présenté dansTableau 2.Dans certains cas, les dégradations de canal ajoutent un bruit significatif aux signaux transmis, en particulier dans les transmissions intérieures entre pièces, où les signaux en bande de base sont enfouis sous le bruit.(Figure 7-milieu).De plus, pour les processus de suivi, davantage de fluctuations sur le suivi Doppler de la porteuse sont observées pour l'intérieur entre les pièces, car les effets de trajets multiples et de réflexion sont plus forts que le scénario de couloir intérieur.(Figure 8-milieu).Dans ces tests, le Doppler est d'environ 500 à 750 Hz.

Transmission statique d'extérieur à extérieur

Figure 5c montre les expériences de libre parcours extérieur avec les deux antennes à 113, 133, 401,5 et 500 MHz. La distance entre le Tx-Rx est fixée à environ 60 m. La transmission à 113 MHz ne montre qu'un taux de réussite de 33%, il est donc conclu que cette fréquence n'est pas efficace pour les tests en mots réels. En effet, 113 MHz est bien en dehors de la bande de rayonnement principale des antennes de configuration, ce qui limite l'efficacité du système à cette fréquence. Les autres fréquences affichent un taux de réussite de 100 %, sauf 401,5 MHz, qui affiche un taux de réussite de 85 %. DepuisFigure 7-bas, on peut observer que cette transmission en libre parcours a une faible puissance de bruit par rapport à la puissance du signal en bande de base (les formes d'onde rectangulaires sont toujours observables). Il y a de petites fluctuations du suivi du transporteur, illustrées dansFigure 8-bas,qui peut être causée par la variation de la perte de puissance.

Tous les pics de corrélation de l'acquisition du signal, pour une longueur de corrélation de 1 ms, montrent des formes de triangle évidentes indiquant que la corrélation du signal peut effectivement acquérir le code PRN à partir du signal reçu. La longueur de corrélation de 1 ms sélectionnée est destinée à accélérer le processus de calcul et à éviter la transition des bits de données pendant les corrélations. Nous avons décidé d'apporter 133 MHz (avec l'antenne 1), 401,5 MHz (avec l'antenne 2) et 500 MHz (avec l'antenne 2) aux expériences du monde réel.

Expériences de scénarios du monde réel

Des expérimentations dans le monde réel à faible RF ont été réalisées au Harwell Science and Innovation Campus (Royaume-Uni), qui est une zone suburbaine avec une faible densité de bâtiments de deux à trois étages, des routes à voie unique et une végétation dense. Deux types de bâtiments ont été considérés pour la transmission de l'extérieur vers l'intérieur : traditionnels (construits en briques rouges et murs en béton de 40 cm) et thermiquement efficaces (construits en verre trempé thermiquement et une poutre en acier de 36 cm d'épaisseur).Tableau 3montre les paramètres de configuration des expériences pour les unités Tx et Rx, qui sont la puissance du signal transmis, le gain d'antenne et la sensibilité effective du récepteur.

Avant les expériences en mots réels, des étalonnages ont été effectués pour estimer la perte de pénétration effective du signal pour les deux bâtiments. Une série de mesures de puissance reçues par l'unité Rx à différentes positions intérieures ont été effectuées pour les étalonnages. L'unité Tx est fixée à une hauteur de 1,9 m et à une distance de 50 m et 13 m du bâtiment traditionnel et thermique, respectivement(Figure 9). Pour le bâtiment traditionnel, les transmissions sont à 133, 401,5 et 500 MHz et pour le bâtiment à haut rendement thermique 133 et 500 Mhz. Un total de 43 tests ont été effectués en tenant compte des différents bâtiments, des positions Rx à l'intérieur des bâtiments et des fréquences de transmission, de sorte qu'une estimation fiable des pertes de pénétration a pu être obtenue.

Les résultats des mesures de référence de perte de pénétration dans le bâtiment correspondent à 10,4 dBm (à 133 MHz), 16 dBm (à 401,5 MHz) et 8 dBm (à 500 MHz) pour le bâtiment traditionnel ; et 15,2 dBm (à 133 MHz) et 25,2 dBm (à 500 MHz) pour le bâtiment à haut rendement thermique. La perte de pénétration subie dans le bâtiment à haut rendement thermique est supérieure à celle du bâtiment traditionnel d'environ 50 % à 200 %. La perte de pénétration pour le bâtiment traditionnel ne suit pas la tendance attendue (plus la fréquence est élevée, plus la perte est élevée). Cela est dû au fait qu'il existe une forte composante de variabilité statistique pour la perte de pénétration dans les bâtiments à faible atténuation (c'est-à-dire traditionnels) en raison des matériaux utilisés et de la structure. Pour les bâtiments à haut rendement thermique, les valeurs de perte de pénétration correspondent au comportement radiofréquence attendu.

Transmission statique de l'extérieur à l'intérieur : Balayage vertical

Ce test évalue et valide la portée opérationnelle du système Low-RF en considérant plusieurs topologies de hauteur Tx émulant différentes plates-formes CARS (2,5 m : émulant un TX monté sur une voiture ; 7,5 m : émulant un Tx monté sur un lampadaire ; 20 m : émulant un Tx déployé au sommet d'un bâtiment ; 75-120 m : émulant un Tx monté sur un drone) à des emplacements éloignés des deux bâtiments. La distance entre l'unité Tx-Rx est de 500 m à 2 km comme indiqué dansFigure 10a. L'unité Rx est placée à des positions extérieures et intérieures. Soixante tests ont été effectués en tenant compte des deux bâtiments, des positions Tx-Rx et des fréquences de transmission.

Les puissances de signal reçues les plus élevées et les plus faibles pour le bâtiment traditionnel à l'intérieur et à une distance de 2 km Tx-Rx sont de -59 dBm et -61 dBm, -81 dBm et -98 dBm, -85,9 dBm et -94 dBm à 133 401,5 et 500 MHz, respectivement. Pour le bâtiment à haut rendement thermique, les puissances de signal reçues les plus élevées à une distance Tx-Rx de 590 m sont de -50 dBm -70 dBm pour 133 et 500 MHz, respectivement. Les puissances reçues les plus élevées sont obtenues lorsque le Tx (monté sur le drone) est à 120 m. Comme prévu, les puissances reçues aux emplacements intérieurs sont inférieures à celles des emplacements extérieurs. Une meilleure puissance du signal est généralement observée à des hauteurs plus élevées en raison de la moindre présence d'obstacles de faible hauteur (végétation, feuillage, bâtiments).Figure 11montre des comparaisons visuelles du bruit du signal pendant l'acquisition, le suivi et la démodulation lorsque le signal est transmis avec 500 MHz à 20 m et 100 m de hauteur où la distance Tx-Rx est de 2 km.Figure 11illustre également que les transmissions à 100 m subissent un bruit de signal inférieur à celles à faible hauteur.

Les taux de réussite de la transmission pour le bâtiment traditionnel pour chaque traitement de bloc récepteur à différentes positions et fréquences Tx-Rx sont indiqués dansFigure 12. Pour 133 MHz, les transmissions sont presque infructueuses en raison des limitations d'antenne et de propagation. Pour 401,5 et 500 MHz, les transmissions ont été pour la plupart réussies, en particulier à une position de Tx élevée (CREAM) car il y a moins de blocages. Les transmissions à 500 MHz ont les meilleures performances. DepuisFigure 12, il est clair que les transmissions à une hauteur de 12,5 m ont des taux d'échec significativement plus élevés que les transmissions à une hauteur > 20 m en raison d'obstacles imposant des atténuations de signal élevées jusqu'en dessous de la sensibilité du système Low-RF. Il convient de noter que les processus de démodulation sont également affectés par l'effet proche-lointain causé par plusieurs émetteurs à différentes distances.

Les résultats des tests de transmission pour les bâtiments à haut rendement thermique sont présentés dansFigure 13. Comme les bâtiments traditionnels, les transmissions à 133 MHz ne sont pas efficaces. Cependant, les transmissions à 500 MHz ont un taux de réussite élevé. Pour les transmissions où le Tx est à faible hauteur et le Rx est à l'extérieur, le taux de réussite de la transmission est nettement inférieur aux résultats à > 20 m, en raison des atténuations de signal introduites par l'environnement et les matériaux de construction. Pour les transmissions où l'unité Rx est à l'intérieur, seules les transmissions de l'unité Tx à 120 m de hauteur maintiennent le taux de réussite. Notez que le taux de réussite de la démodulation des transmissions à 120 m pour l'extérieur et l'intérieur est faible. Cependant, étant donné que les processus d'acquisition et de suivi réussissent pour la plupart, l'échec de la démodulation est causé par le retournement de bits. Cela pourrait être corrigé en mettant en œuvre des techniques de correction d'erreurs pour améliorer le taux de réussite de la démodulation. Nous avons constaté que la capacité de calcul du processeur de l'émetteur limite la mise en œuvre de telles techniques.

Ce test analyse les performances du système Low-RF sous les trajectoires des satellites LEO. Le passage en orbite du satellite LEO est émulé en pilotant un UAV, transportant l'unité Tx, à 40 m de hauteur en ligne droite passant au-dessus des deux bâtiments et en couvrant l'angle d'élévation α = [10°, 170°] comme indiqué dansFigure 10b. Treize positions ont été utilisées pour émuler le passage d'un satellite LEO au-dessus des deux bâtiments. Pour le bâtiment traditionnel, l'unité Rx était située dans quatre positions différentes : extérieur, intérieur — premier étage, intérieur — premier étage et intérieur — deuxième étage. Pour le bâtiment à haut rendement thermique, l'unité Rx est située à deux endroits : à l'extérieur et à l'intérieur.

Les résultats de transmission pour les expériences émulées en orbite LEO passant devant les bâtiments traditionnels et à haut rendement thermique sont présentés dansFigures 14a et 14b.DansFigure 14a, les performances du système Low-RF pour le bâtiment traditionnel ont les meilleures performances à 500 MHz, avec un taux de réussite d'acquisition et de suivi de près de 100%. Le taux de réussite de la démodulation était d'environ 80 % pour les quatre positions. À 401,5 MHz, le taux de réussite de la démodulation est légèrement inférieur aux autres. Cela peut être causé par des interférences avec d'autres signaux à la fréquence. Les pires performances étaient à 133 MHz (surtout au rez-de-chaussée intérieur). Ce n'est pas la fréquence de conception de l'ensemble d'antennes, les signaux sont donc transmis avec moins de puissance. Le bâtiment à haut rendement thermique a eu un taux de réussite de près de 100 % pour l'acquisition et le suivi et d'environ 30 à 50 % pour la démodulation à 500 MHz. En ce qui concerne la démodulation, en raison d'une puissance reçue moindre (gros bruit) au niveau de l'unité Rx dans le bâtiment à haut rendement thermique, le pourcentage de retournement de bits est plus élevé que dans les bâtiments traditionnels. Là encore, une manière d'améliorer le processus de démodulation consiste à mettre en œuvre des techniques de correction d'erreurs (codage de canal) dans les signaux Tx-Rx.

En ce qui concerne les puissances reçues pour les expériences dans le bâtiment traditionnel, la puissance la plus élevée se situe à l'extérieur et la plus faible au rez-de-chaussée intérieur, comme prévu. Les puissances reçues les plus élevées et les plus basses sont -20 dBm et -55 dBm, -35 dBm et -75 dBm, et -45 dBm et -85 dBm, et pour les fréquences 133, 401,5 et 500 MHz, respectivement. Les puissances reçues les plus élevées sont principalement à des angles d'élévation compris entre 10° et 60° où les signaux transmis peuvent atteindre le Rx à travers les fenêtres, donc sans subir d'atténuation des murs. Pour le bâtiment à haut rendement thermique, les puissances reçues les plus élevées (extérieur) et les plus basses (intérieur) correspondent respectivement à -22 dBm et -55 dBm, -30 dBm et -75 dBm, et pour les fréquences 133 et 500 MHz. Semblable au bâtiment traditionnel, les puissances reçues les plus élevées sont principalement à des angles d'élévation compris entre 10° et 60°.

À partir de la puissance Rx reçue de l'expérience de passage LEO émulée par le drone volant à 40 m, la perte de puissance des satellites LEO peut être extrapolée par un facteur de perte de trajet supplémentaire pour tenir compte de la propagation attendue d'un satellite LEO volant à 500 km. En tenant compte de la géométrie et de la distance d'élévation réalistes (par rapport au test de réussite LEO émulé), l'extrapolation de la puissance Rx à partir de l'orbite LEO est calculée comme suit : puissance Rx reçue (à 40 m, angle d'élévation) - 20 × log10 (distance entre le Tx et LEO, angle d'élévation). À partir de l'extrapolation, tous les niveaux de puissance RF LEO reçus estimés seraient supérieurs à la sensibilité d'un récepteur GPS L1 C/A idéal avec un gain de traitement PG = 25 dB (-158,5 dBm). Toutes les valeurs estimées sont basées sur les paramètres Tx-Rx présentés dansTableau 3.

Le système Low-RF, basé sur une seule liaison de communication Tx-Rx, a démontré avec succès les transmissions possibles de l'extérieur vers l'intérieur en modes statique et dynamique. Des résultats prometteurs ont été obtenus à partir de transmissions à 133 MHz, 401,5 MHz et 500 MHz. Avec la combinaison du matériel exploré et des scénarios expérimentaux envisagés, les meilleures capacités de propagation et de navigation du signal sont obtenues avec la transmission à 500 MHz. À partir de la démonstration, le système développé, avec des signaux de navigation à basse fréquence (fréquence VHF-UHF), une structure de signal à spectre étalé efficace et des architectures Tx-Rx flexibles peut être utilisé pour une mise en œuvre complète de CARS et offre d'énormes potentiels pour les utilisateurs tels que les services d'urgence intervenants du service. À partir d'expériences de scénarios réels (balayage vertical et passage LEO), les résultats montrent que l'utilisation de signaux basse fréquence pour CARS est prometteuse en raison de leur capacité de pénétration améliorée et de leur capacité à transporter des informations de navigation, ce qui est essentiel en cas d'urgence. A partir des résultats des expériences de passage LEO, il est possible d'extraire la faisabilité des systèmes LEO-PNT utilisant des transmissions à basse fréquence.

Les travaux futurs incluent l'extension des tests de transmission à d'autres fréquences (C, S et bande UHF élevée), des tests dans plus de scénarios (par exemple, différents types de bâtiments, des zones urbaines encombrées, des végétations, des topologies Tx-Rx et des tests dynamiques où le Rx se déplace), des tests avec une conception et une modulation de signal différentes, par exemple en utilisant un PRN plus court pour réduire la bande passante du spectre, et en améliorant la plate-forme Low-RF en utilisant au moins quatre unités Tx, en réduisant la taille, le poids et la puissance du système et en augmentant la préparation technologique (TRL) pour le déploiement dans un environnement opérationnel.

Ce travail a été soutenu par le programme NAVISP Element 1 de l'Agence spatiale européenne (ESA), qui vise à innover dans la technologie des systèmes PNT. Les travaux décrits ont été réalisés dans le cadre d'un contrat ESA. La responsabilité du contenu incombe à l'auteur ou à l'organisation qui l'a préparé.

Nous tenons à remercier David Payne (GMV) qui a été l'opérateur du drone pendant toute la durée de la campagne d'expérimentation, Aron Kisdi (GMV) qui a soutenu les expériences du drone, Tim Whitworth et Yeqiu Ying qui ont été impliqués dans l'activité technique au début de la phase de ce projet et Filipa Fernandes pour sa contribution à l'examen de l'état de l'art. Enfin, nous tenons également à remercier Mark Dumville (GMV) pour son soutien continu tout au long de l'activité.

Cet article est basé sur des éléments présentés dans un document technique à ION GNSS+ 2022, disponible sur ion.org/publications/order-publications.cfm.

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Wahyudin P. Syam est titulaire d'un doctorat. en mesure géométrique et analyse d'incertitude du Politecnico di Milano à Milan, Italie. Après avoir terminé son doctorat, il a occupé un poste de recherche postdoctorale à l'Université de Nottingham pendant cinq ans, où il a acquis de l'expérience dans l'apprentissage automatique pour la mesure et l'analyse d'images et la programmation d'interface matérielle. Il a rejoint GMV en février 2021.

David Scott a obtenu son MEng en génie électrique et électronique de l'Université de Newcastle en 2019. Il travaille chez GMV depuis l'obtention de son diplôme, où il est impliqué dans plusieurs projets liés aux communications basse fréquence et aux solutions PNT alternatives. Il possède une vaste expérience dans la manipulation de dispositifs radio définis par logiciel (SDR), y compris le pilote matériel universel (UHD), libIIO et GNURadio. Il a également de l'expérience dans la programmation de microcontrôleurs embarqués dans de multiples architectures.

Alejandro Pérez Conesa a reçu son B.Sc. diplôme en génie informatique et son B.Sc. et M.Sc. diplômes en ingénierie des télécommunications de l'Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) en 2018, 2019 et 2020, respectivement. Il est chef de projet pour GMV et professeur auxiliaire à l'UAB. Il a travaillé comme ingénieur de recherche pour le groupe de traitement du signal pour les communications et la navigation (SPCOMNAV) à l'UAB en 2019 et 2020 et comme responsable technique GNSS pour Indra en 2020 et 2021. Il a été impliqué dans de nombreuses activités financées par l'Agence spatiale européenne (ESA ) et d'autres entités internationales.

ignacio rodríguez a reçu un B.Sc. et M.Sc. diplômes en génie des télécommunications de l'Université d'Oviedo, en Espagne, et d'un M.Sc. diplôme en communications mobiles et le doctorat. diplôme en communications sans fil de l'Université d'Aalborg, au Danemark. Il est chercheur Ramón y Cajal à l'Université d'Oviedo, en Espagne. Auparavant, il était professeur adjoint à l'université d'Aalborg, au Danemark, où il dirigeait le groupe de recherche 5G for Industries ; et ingénieur de recherche externe chez Nokia Bell Labs, où il a participé aux activités de normalisation 3GPP et ITU-R. Il a été co-récipiendaire du prix IEEE VTS 2017 Neal Shepherd Memorial Best Propagation Paper Award et, en 2019, a reçu le prix 5G de l'Agence danoise de l'énergie et de la Société danoise des ingénieurs en télécommunications.

Mélissa LopezLaitue a reçu un B.Sc. et M.Sc. en ingénierie des télécommunications de l'Universitat Politécnica de Catalunya, Espagne, en 2016 et 2018, respectivement. En 2022, elle a obtenu un doctorat. en communications sans fil de l'Université d'Aalborg, au Danemark, où elle est actuellement chercheuse postdoctorale.

Enrique Juan Martínez a reçu un B.Sc. et M.Sc. en ingénierie des télécommunications de l'Universitat Politécnica de Catalunya, Espagne, en 2015 et 2018, respectivement. Il poursuit actuellement un doctorat. en communications sans fil à l'Université d'Aalborg, Danemark, en collaboration avec Nokia, Aalborg, Danemark.

Rigas Themistoklis Ioannides a obtenu un baccalauréat en génie électronique de l'Université de Lancaster, Lancaster, Royaume-Uni, en 1995, un diplôme de maîtrise en "Communication et systèmes électroniques en temps réel" de l'Université de Bradford, Yorkshire, Royaume-Uni, en 1997, et un doctorat de l'Université de Leeds, Leeds, Royaume-Uni, sur la modélisation et la correction des effets ionosphériques sur les signaux GPS en 2002. Il a rejoint l'Agence spatiale européenne en 2010. À partir de 2014, il a soutenu le programme Galileo sur la définition et la conception du service public réglementé . Il a rejoint Galileo deuxième génération en 2018, dirigeant la conception des techniques d'authentification du système d'exploitation. En 2021, il rejoint la section Evolutions du système GNSS dans le cadre du programme Horizon Europe.