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Research Topics

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Activités de recherche actuelles : Radiocommunications

Recruté en septembre 2003 au laboratoire CITI, je suis venu renforcer les activités dans le domaine des communications radios, particulièrement de ce qui d'un point de vue réseau est dénommée la couche physique. Ces activités étaient jusqu'alors portées par un unique permanent (J.M. Gorce) et une doctorante. Pour être cohérent et complémentaire, j'ai dû opérer une évolution thématique pour m'intéresser aux aspects de traitement du signal et de modélisation niveau système, plus en amont de mes activités antérieures plus proches de l'électromagnétisme (même si les aspects antennes sont encore au cœur des problématiques). Mon rôle a ensuite évolué par la mise en place d'une plateforme de mesure permettant une meilleure prise en compte et validation globale des chaînes de transmissions. Cette évolution vers une vision plus globale des systèmes de transmissions m’a permis désormais de développer mon propre axe de recherche sur les aspects systèmes RF flexibles au sein du laboratoire, tout en poursuivant de multiples collaborations transverses avec mes collègues sur des aspects de radio logicielle ou encore de modélisation du canal radio.

SIMULATION DE LA PROPAGATION DES ONDES RADIOS

Ma première activité fut de développer une technique de formation de diagramme de rayonnement. En effet l'outil phare dans le domaine radio du laboratoire était alors le logiciel de simulation de propagation indoor Wiplan, dont la rapidité et la précision de prédiction étaient déjà reconnues. Mais ce logiciel était alors limité à la prise en compte de sources de rayonnement omnidirectionnelles. Nous avons donc intégré une technique inspirée de la synthèse de diagramme classique des réseaux d'antennes, basée sur une approche matricielle plus précise, permettant de recréer le rayonnement de sources complexes par association de sources élémentaires pondérées en amplitude et en phase. Nous avons par la suite amélioré les méthodes d'étalonnage et de validation du logiciel grâce à l'utilisation de la plateforme radio du laboratoire (voir plus loin).

Dans le cadre du projet européen iPlan, nous avons ensuite cherché à améliorer encore ce simulateur suivant principalement deux axes : étudier les possibles extensions et optimisations de la méthode de calcul du champ électromagnétique et enrichir l’exploitation des champs prédits pour extraire de nouveaux paramètres significatifs du lien radio.

Le premier axe a fait l’objet du post-doctorat de Dmitry Umansky, le second de la thèse de Meiling Luo. D. Umansky a travaillé sur l’extension possible en 3 dimensions du principe de calcul et M. Luo sur l’extraction de paramètres statistiques du canal radio pour l’évaluation de performance des systèmes sans fil. Egalement, Luis Gonçalvez a réalisé un postdoc sur la validation expérimentale de ces travaux. Dans le cadre de ce projet, j’ai de plus eu l’opportunité d’un séjour de recherche de 2 mois à Luton, et d’une semaine à Sheffield chez nos partenaires britanniques.

En parallèle, dans le cadre de l’ADT Inria Mobsim, Tao Wang travaille sur l’interfaçage de ce logiciel Wiplan avec un simulateur réseau (NS3).

TRAITEMENTS NUMERIQUES ET TECHNIQUES MULTI-ANTENNE

Une thématique fondamentale dans mon travail est l’étude des performances de techniques de traitement des signaux basées sur la multiplication des antennes (SIMO, MISO, MIMO). Ce domaine est un important sujet de recherche depuis longtemps déjà dans le monde des télécoms, mais il n’est que depuis peu de temps envisageable d’utiliser ce genre de techniques au niveau de terminaux compacts, pour des raisons évidentes d’intégration et de capacité de calcul. Une connaissance approfondie des antennes compactes permet d’améliorer l’estimation des performances attendues de tels systèmes et l’évaluation dans les contextes difficiles de réseaux ad hoc ou réseaux de capteurs. Les travaux préliminaires dans ce domaine ont donné lieu à un important contrat avec France Télécom – Orange Labs sur les terminaux multi-mode multi-antenne à base de radio logicielle. Deux thèses ont eu pour cadre cette thématique, celle de Philippe Mary, soutenue en février 2008, sur les aspects algorithmiques et estimation analytique de performances, ainsi que celle de Pierre-François Morlat, soutenue en décembre 2008, sur l'architecture globale, la simulation et le développement d'un démonstrateur de ces techniques.

PLATEFORME RADIO ET RADIO LOGICIELLE

Fin 2004, grâce à un financement exceptionnel de l’Inria et de l’INSA, nous avons pu mettre en place une plateforme de tests radio particulièrement performante et interfaçable avec les outils de simulation système que nous utilisons. Le potentiel d’études par confrontation simulations/mesures avec cet outil en fait un argument de poids auprès de nos partenaires industriels (notamment à l’origine du contrat avec France Télécom). L’utilisation de cette plateforme est également parfaitement adaptée au développement d’approches de type radio logicielle que nous explorons. Cet outil fondamental nous a permis de mener à bien des mesures de validation du moteur de propagation Wiplan, des caractérisations du canal de propagation (dans différents environnements et à différentes fréquences) avec notamment l'extension à deux voies de mesures offrant une analyse fine des communications MIMO. L'interfaçage de ce matériel avec les logiciels de simulations nous a aussi permis de valider directement les structures complexes simulées dans un canal de propagation réaliste en permettant de plus d'affiner les modèles simulés. Cette plateforme a enfin également été mise à profit dans le développement de prototypes de réseaux de capteurs.

Nous avons de plus dans le cadre de la collaboration avec France Télécom effectué la conception et la mise en œuvre d'un démonstrateur de récepteur multi-antenne, multi-mode et multi-canal à radio logicielle [54]. Ce démonstrateur unique en son genre est basé sur un système 4 voies avec frontal RF large bande et numériseurs, puis sur des cartes multi-FPGA/DSP hébergées dans un serveur quadri-processeur.

Dans une approche plus générale, la thèse de Cédric Levy-Bencheton [13][34][40], co-encadrée avec Tanguy Risset, a permis de mettre en place un cadre d’étude plus générale, par simulation, du potentiel des terminaux à radio logicielle pour le relai multi-mode dans les réseaux radio.

Ces travaux doivent trouver un cadre de validation expérimentale avec la plateforme CorteXlab de FIT que nous sommes en train de mettre en place suite au financement d’un Equipex. Cette plateforme dont les locaux viennent d’être achevés, permettra l’étude de principes de radio cognitive à large échelle.

CONCEPTION GLOBALE DE SYSTEMES

Toujours autour des thèmes de multi-antenne, multi-mode et radio logicielle, nous avons initié autour des outils de simulation communs et de la plateforme radio une collaboration avec l'INL sur les aspects de conception globale. Cette approche visait à optimiser conjointement les parties RF et numériques d'un système en analysant les potentiels de compensation de part et d'autre. L'excellent retour de la communauté sur ces travaux nous a permis de démarrer une thèse avec France Télécom sur cette approche (Ioan Burciu). Les travaux de cette thèse ont permis de proposer une nouvelle architecture de récepteur mixte analogique-numérique permettant la réception de deux standards (UMTS et 802.11) avec une complexité réduite (objet d’un brevet international) puis une extension aux terminaux 4G et au-delà (LTE-Advanced) [1][5][15][16].

Nous avons en parallèle développé avec Matthieu Gautier (France Télécom) une nouvelle approche de récepteur multi-antenne à coût réduit, basée sur le multiplexage par codes des voies de réceptions, dans le cadre d’un autre contrat de recherche [6][16].

Suite à ces travaux orientés vers la réduction de la complexité des terminaux, nous nous intéressons à l’aspect de réduction de la consommation de tels systèmes, notamment dans le cadre du projet FUI EconHome [26]. Egalement, la thèse financée par le CSC de Z. Zhan nous permet d’étudier le potentiel des architectures full-duplex pour augmenter la capacité des réseaux locaux [28][29].

Travaux de thèse et de postdoc : Antennes

Activités doctorales

Ma thèse s’est déroulée au laboratoire IRCOM (désormais XLIM) de l’Université de Limoges, financée par l’ADER-LPC (Association pour le développement de l’enseignement et de la recherche en Limousin-Poitou-Charente). Basée sur une étude théorique, des moyens de simulations électromagnétiques (FDTD) et des validations expérimentales, l'étude d'antennes rubans basées sur des résonateurs quart d'onde repliés en trois dimensions a pu être menée. Cette étude s'est tout particulièrement orientée vers l'obtention de diagrammes de rayonnement sphériques ou hémisphériques permettant une couverture sans faille de l'espace (rayonnement isotrope). Différents développements de la structure de base ont été proposés, certains permettant notamment un élargissement conséquent de la bande passante [2][70].

Enfin, deux applications principales ont été détaillées: une antenne coplanaire intégrée à un module de communication compact pour le relevé à distance de compteurs d'énergie, et une antenne multi-bande utilisée dans un système de localisation de téléphones cellulaires pour le sauvetage de personnes isolées.      

Pour l’étude d’antennes compactes coplanaires intégrées en 3 dimensions dans le cadre du projet européen ALLIGATOR, managé par la société Schlumberger, il s'agissait de la conception d'une antenne coplanaire à 868 MHz repliée épousant les formes du boîtier radio utilisé pour le relevé à distance de compteurs d'énergie, imprimée en technologie MID, avec de plus étude et minimisation des effets CEM [71].

Autre application étudiée: les antennes multi-standard pour détection d'urgence de téléphones portables. J’ai développé un réseau d'antennes couvrant l'ensemble des standards de téléphonie mobile ayant un diagramme directif et dépointé, système destiné à être installé sous hélicoptère pour la localisation et le sauvetage des personnes prises sous avalanches (projet RNRT LUTECE coordonné par Thales) [74].

En parallèle de ces travaux, a également été développée une antenne à polarisation circulaire pour réception mobile satellite : il s’agissait d’une étude pour la société MAG d'une antenne à polarisation circulaire de faible encombrement à diagramme formé pour la réception de radio numérique par satellite.

Activités post-doctorales

Suite à ma thèse j’ai bénéficié d’un contrat d'un an d'ingénieur d'études auprès de CREAPE INGENIERIE dans la continuité des travaux du projet RNRT LUTECE pour finaliser le démonstrateur du projet et particulièrement la partie récepteur multi-capteur pour la localisation de téléphones portables enfouis. L’optimisation, la réalisation et les tests du réseau hybride d’émission ont été réalisés, ainsi que l’étude complète des capteurs de réception, l’optimisation de leurs caractéristiques et de leur placement, la réalisation d’un prototype et sa validation en chambre anéchoïde [21] (les tests sur site ayant été effectués après mon départ du projet).

Par la suite j’ai été recruté en tant que Maître de conférences à l’INSA de Lyon, rattaché au département de Génie Electrique et au laboratoire CITI.




Contact

CITI Laboratory
INSA de Lyon
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69621 Villeurbanne Cedex - FRANCE
VOICE: +33 472 436 067
FAX: +33 472 436 227
EMAIL: guillaume.villemaud@insa-lyon.fr