Application du retournement temporel à la technologie RFID

Application of time reversal to RFID technology

• Auteur / Autrice : Yanis Merakeb
• Direction : Yvan Duroc, Rachida Touhami, Julien Huillery
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 11/01/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire AMPERE (Ecully, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Fatiha Merazka
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yvan Duroc, Rachida Touhami, Yannis Pousset, Smaïl Tedjini, Mouloud Challal, Norbert Noury, Assia Oukil Kourgli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yannis Pousset, Smaïl Tedjini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert d'énergie sans fil

Ondes -- Propagation

Retournement temporel (acoustique)

Systèmes d'identification par radiofréquence

Mots clés libres

RFID

Transmission d'énergie sans fil

Forme d'onde

Retournement temporel

Tag passif

Propagation multitrajets

RFID

Wireless power transfer

Waveform

Time reversal

Passive tag

Multipath propagation

Résumé

L'IDentification par radiofréquence (RFID) est une technologie d'identification sans fil largement déployée qui trouve des applications allant de l'utilisation grand public aux applications industrielles. En RFID passive Ultra Hautes Fréquences (UHF), le tag ne dispose ni de radio émetteur ni de source d'alimentation, il dépend entièrement du signal transmis par le lecteur : télé-alimentation pour l’alimentation énergétique (conversion RF-dc du signal émis par le lecteur) et rétrodiffusion pour la remontée d’informations (notamment l’identifiant) vers le lecteur. Bien que des communications RFID UHF avec une portée de plusieurs mètres sont réalisables, le caractère passif du tag limite les performances notamment en milieux complexes où les signaux sont vulnérables aux interférences dues à la propagation multitrajets. Pour améliorer le rendement de conversion RF-dc, des recherches se sont intéressées à l’optimisation des formes d’ondes avec des tags commerciaux. Des expériences en espace libre ont montré que l'utilisation de formes d'ondes impulsionnelles à la place de la porteuse sinusoïdale classique améliore le rendement de conversion RF-dc et en conséquence la portée de communication avec des tags passifs commerciaux. En plus du rendement de conversion RF-dc, des recherches se sont intéressées à l'étude de formes d'ondes adaptées au canal pour l'optimisation de la transmission d'énergie sans fil en milieux de propagation complexes. Dans cette optique, cette thèse vise à optimiser les formes d'ondes en communication RFID UHF passive en milieu de propagation complexe, notamment en utilisant une forme d'onde adaptée au canal de propagation basée sur la technique du retournement temporel (RT). Le RT permet une focalisation de l'onde dans le temps et dans l'espace au niveau du tag en exploitant la connaissance de la réponse impulsionnelle du milieu de propagation, ainsi optimisant le lien radio à travers le canal. Dans ce contexte, la thèse vise à démontrer la faisabilité d'une communication RFID UHF passive en utilisant le RT en évaluant le potentiel en termes de performances énergétiques. A cet effet, Une plateforme expérimentale émulant un lecteur nommée "RFID Waveformer" a été conçue et développée spécifiquement pour l'optimisation des formes d'ondes en communication RFID UHF. Les expériences menées avec trois différents canaux de propagation complexes et trois tags commerciaux ont montré que le mode RT permet de fournir une énergie supérieure au niveau du tag comparé à l'onde impulsionnelle (PW) et à l'onde continue (CW). L'évaluation de la puissance émise minimale nécessaire pour l'activation du tag montre que le mode RT est plus performant que le mode PW du fait de ses propriétés spatio-temporelles qui permettent de fournir un pic d'impulsion plus élevé. Les performances du mode RT comparé au mode CW dépendent du système canal-tag, c'est-à-dire, de la sélectivité fréquentielle du canal de propagation et des performances intrinsèques du tag. En plus des performances énergétiques, le signal rétrodiffusé doit également être pris en considération dans l'optimisation des communications. Pour une forme d’onde multiporteuses, une démodulation multiporteuses est requise pour optimiser la récupération du signal rétrodiffusé au niveau du lecteur. Une seconde étude a été menée en simulation et expérimentalement pour l'évaluation des performances énergétiques du mode RT en compromis avec la complexité du signal émis. La forme d’onde du mode RT est large bande et présente une plage d’amplitude élevée. Ces caractéristiques constituent des contraintes dans les systèmes embarqués limités en performances. L'impact de la réduction de la complexité du signal du RT en termes de nombre de bits de quantification et de largeur de bande sur les performances énergétiques a été étudié. Les résultats montrent que la forme d'onde du mode RT peut être conçue pour alléger la partie matérielle tout en préservant son efficacité énergétique.

Radio Frequency IDentification (RFID) is a widely spread wireless identification technology used in various applications, from consumer use to industrial applications. In passive Ultra High Frequencies (UHF) RFID, the tag has neither a radio transmitter neither a power source, it depends entirely on the signal transmitted by the reader: the tag utilizes the energy of the electromagnetic wave transmitted by the reader (RF-DC conversion of the signal transmitted by the reader) and responds by backscattering for the feedback of the information (in particular the identifier) to the reader. Although UHF RFID communications with a range of several meters are possible, the passive nature of the tag limits performance, particularly in complex environments where signals are subject to interference due to multipath propagation. To improve RF-dc conversion efficiency, researches focused on waveform optimization with commercial tags. Experiments in free space have shown that the use of pulsed waveforms (PW) in place of the conventional continuous wave (CW) carrier improves the RF-dc conversion efficiency and consequently the communication range with commercial passive tags. In addition to the RF-dc conversion efficiency, recent researches studied channel-adapted waveforms for the optimization of wireless power transmission in complex propagation media. In this perspective, this thesis studies waveform optimization in passive UHF RFID communication in complex propagation channels, in particular by using a waveform based on the time reversal (TR) technique. TR allows the focusing of the wave in time and space at the tag by exploiting the impulse response of the propagation medium, thus optimizing the radio link through the channel. In this context, the thesis aims to demonstrate the feasibility of passive UHF RFID communication using TR and evaluating the potential in terms of energy performance. To this end, an experimental platform emulating a reader called "RFID Waveformer" was designed and developed specifically for waveform optimization in UHF RFID communication. Experiments conducted with three different complex propagation channels and three commercial tags have shown that TR mode is able to transmit higher energy at the tag compared to PW and CW modes. The evaluation of the minimum emitted power required to activate the tag shows that TR mode is more efficient compared to PW mode because of its spatio-temporal properties which enable higher pulse peak. The performance of the TR mode compared to the CW mode depends on the channel-tag system, namely, the frequency selectivity of the propagation channel and on the intrinsic performance of the tag. In addition to energetic performance, the backscattered signal has also to be taken into consideration in the optimization of passive UHF RFID communications. In the case of multicarrier waveforms, multicarrier demodulation is required to optimize the detection of the backscattered signal at the reader. A second study was carried in simulation and experiment to evaluate the energy performance of the TR mode in a tradeoff with the emitted signal complexity. TR mode waveform is wideband and presents a high amplitude range. These characteristics constitute constraints in embedded systems with limited resources. The impact of reducing the complexity of TR mode signal in terms of number of quantization bits and bandwidth on energy performance was investigated. The results show that the TR mode waveform can be designed to lighten the hardware part while maintaining its energy efficiency.