Antennes compactes reconfigurables en diagramme de rayonnement pour la modulation spatiale MIMO et introduction aux communications numériques par rétrodiffuseurs

Compact Reconfigurable Radiation Pattern Antennas for Spatial Modulation MIMO and Introduction to the Backscatter Communications

• Auteur / Autrice : Kammel Rachedi
• Direction : Julien de Rosny, Abdelwaheb Ourir
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie électronique
• Date : Soutenance le 15/10/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Langevin-Ondes et images (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Hélène Roussel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Redha Abdeddaim
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabien Ferrero, Martine Liénard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Taux d'erreurs sur les bits

Antennes (électronique)

Systèmes à entrées multiples et à sorties multiples

Traitement du signal -- Techniques numériques

Mots clés libres

Antennes reconfigurables en diagrammes de rayonnement reconfigurables

Modulation spatiale MIMO

Diversité spatiale

BER

Rétrodiffuseur

Interférences

Reconfigurable Radiation Pattern Antennas

Spatial modulation MIMO

Spatial diversity

BER

Backscatterer

Interferences

Résumé

La Modulation Spatiale MIMO (Multiple Input Multiple Output) SM-MIMO est apparue pour répondre à la fois aux besoins croissants de forts débits binaires et d’efficacité énergétique des dispositifs connectés pour l’Internet des objets (IoT) et les réseaux sans fil (5G, Wi-Fi, etc...). Elle se caractérise par l’emploi d’un réseau d’émetteurs. Chaque élément du réseau d’émetteurs code pour un symbole particulier. Mais cette solution n’est pas envisageable pour l’implémentation de petits objets connectés. Dans la première partie de la thèse, nous avons développé plusieurs antennes reconfigurables. Pour nos applications, une antenne reconfigurable possède différents diagrammes de rayonnement codant chacun pour un symbole binaire particulier. Les premiers prototypes fabriqués reposent sur une ligne méandre en couplage avec des résonateurs parasites. Pour accroître la compacité de l’antenne, nous avons conçu une antenne à anneaux fendus générant 8 différents diagrammes de rayonnement décorrélés à la fréquence de 2.45GHz. Pour estimer la fiabilité de la transmission radio, nous calculons numériquement et évaluons expérimentalement la probabilité d’erreurs de transmission (BER) en fonction du rapport Signal-sur-Bruit (SNR). Nos antennes présentent des résultats prometteurs dans l’implémentation d’une communication numérique en environnement indoor. Dans une deuxième partie de la thèse, pour transmettre une donnée vers un récepteur, nous avons exploité les ondes électromagnétiques ambiantes comme sources d’opportunité. Cette nouvelle technique de communication numérique repose sur un rétrodiffuseur capable de commuter entre différents états d’impédance et module le champs électrique ambiant. Ces réseaux sont sujets à des interférences. En particulier, on montre que le diagramme d’interférences entre une source d’onde, un rétrodiffuseur et un récepteur dépend fortement de leur localisation dans l’espace. Nous estimons le BER de la communication par rétrodiffusion et démontrons qu’il dépend du contraste de puissance estimé par le récepteur. A la fin du manuscrit, on donne des axes de recherche possibles pour améliorer la sensibilité du récepteur vis-à-vis du rétrodiffuseur et augmenter le débit binaire de cette communication numérique.

The Spatial Modulation MIMO (Multiple Input Multiple Output) SM-MIMO has emerged to meet both the growing need for high data rates and energy efficiency of connected devices for the Internet of Things (IoT) and wireless networks (5G , Wi-Fi, etc ...). It is characterized by the use of a network of transmitters. Each element of the transmitter network encodes a particular symbol. But this solution is not conceivable for the implementation of small connected objects. In the first part of the thesis, we have developed several reconfigurable antennas. For our purposes, a reconfigurable antenna has different radiation patterns whose each of them codes for a particular binary data. The first prototypes manufactured are based on a meander line in coupling with parasitic resonators. To increase the antenna’s compactness, we have developed a split-ring antenna generating 8 different decorrelated radiation patterns at the frequency of 2.45GHz. To estimate the reliability of the radio transmission, we numerically compute and experimentally evaluate the probability of errors of transmission (BER) as a function of the Signal-to-Noise Ratio (SNR). Our antennas show promising results in the implementation of a digital communication in indoor environment. In the second part of the thesis, in order to transmit data to a receiver, we have exploited ambient electromagnetic waves as sources of opportunity. This new digital communication technique is based on a backscatter capable of switching between different states of impedence and thus modulating the ambient electric field. These networks are subject to deep fadings. In particular, it is shown that the interference pattern between a wave source, a backscatter and a receiver strongly depends on their location in space. We estimate the BER of backscatter communication and demonstrate that it depends on the power of contrast estimated by the receiver. At the end of the manuscript, possible search axes are given to improve the sensitivity of the receiver towards the backscatter and to increase the data rate of this digital communication.