Robustesse d'une communication 4G (LTE) à des perturbations électromagnétiques

Robustness of a 4G (LTE) communication to electromagnetic disturbances

• Auteur / Autrice : Olivier Stienne
• Direction : Éric Simon, Virginie Deniau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 29/09/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - Laboratoire Électronique Ondes et Signaux pour les Transports (LEOST)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Clavier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cyrille Siclet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohammad-Ali Khalighi, Françoise Paladian

Mots clés

Mots clés contrôlés

Attaques par déni de service

Multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence

Couche physique (informatique)

LTE (norme)

Mesure

Brouillage électromagnétique

Systèmes de communication

Transports ferroviaires

Mots clés libres

Interférences transitoires

Wireless networks physical layer

Transient interferences

Electromagnetic attacks

Communication security

Jamming

Résumé

Les systèmes de télécommunication assurent un rôle important dans les opérations ferroviaires. Elles permettent la communication entre l'infrastructure mobile et l'infrastructure fixe. Actuellement, c'est GSM-R qui fournit une connectivité 2G+ transparente entre l'infrastructure au sol et le train. Mais le GSM-R n'a pas la capacité de transmettre les énormes quantités de données aujourd'hui indispensable à la numérisation des chemins de fer. Pour s'adapter aux besoins de leurs clients, les systèmes radiocommunication ferroviaires ont intégré des modules LTE (4G).Dans le cadre de cette thèse, nous étudions la robustesse d'une communication 4G à des perturbations électromagnétiques.Dans un premier temps, le réseau LTE est décrit en partant de son architecture générale jusqu'aux couches les plus basses.C'est la couche PHY qui gère la communication radio et la modulation OFDM associée.C'est pourquoi nous présentons les indicateurs de qualité de la liaison radio les plus appropriés, l'EVM et l'ACLR.Dans un second temps, nous présentons les perturbations électromagnétiques et plus précisément les interférences transitoires rapides. Les interférences transitoires rapides sont produites lors des pertes de contact entre la caténaire et le pantographe et peuvent perturber les radiocommunications à bord des trains. Un modèle de l'interférence transitoire est utilisé pour tester la communication LTE. Une description des différents paramètres du modèle pouvant perturber la communication LTE est réalisée. Le PAPR permet de mesurer la qualité des signaux issu de la modulation OFDM. Il est aussi un des indicateurs de mesure pour les interférences transitoires.Ensuite, une approche expérimentale à l'aide banc de mesures permettant d'injecter des interférences transitoires dans une communication LTE est mise en œuvre. Ce banc de mesures en mode conduit est présenté avec ses avantages et ses inconvénients. Les indicateurs usuels d'une modulation numérique de type OFDM que sont l'EVM, l'ACLR et le PAPR peuvent alors être relevés.Enfin l'analyse des indicateurs va montrer leur pertinence vis-à-vis d'une interférence transitoire. Parmi les indicateurs mesurés, c'est le PAPR qui s'est montré le plus pertinent pour détecter l'interférence transitoire rapide lors de nos mesures.

Telecommunication systems play an important role in railway operations. They enable communication between the mobile and fixed infrastructure. Currently, it is GSM-R that provides seamless 2G+ connectivity between the ground infrastructure and the train. But GSM-R does not have the capacity to transmit the huge amounts of data that are today essential for the digitalization of railroads. To adapt to the needs of their customers, railway radio systems have integrated LTE (4G) modules.In this thesis, we study the robustness of a 4G communication to electromagnetic disturbances.First, the LTE network is described from its general architecture to the lowest layers.It is the PHY layer that manages the radio communication and the associated OFDM modulation.Therefore, we present the most appropriate radio link quality indicators, EVM and ACLR.In a second step, we present the electromagnetic disturbances and more precisely the fast transient interference. Fast transient interference is produced when contact is lost between the catenary and the pantograph and can disturb the radio communications on board the train. A transient interference model is used to test LTE communication. A description of the different parameters of the model that can interfere with LTE communication is performed. The PAPR is used to measure the quality of signals from OFDM modulation. It is also one of the measurement indicators for transient interference.Then, an experimental approach using a measurement bench to inject transient interference into an LTE communication is implemented. This measurement bench in conducted mode is presented with its advantages and disadvantages. The usual indicators of a digital modulation of OFDM type which are the EVM, the ACLR and the PAPR can then be raised.Finally, the analysis of the indicators will show their relevance to transient interference. Among the indicators measured, it is the PAPR that has shown itself to be the most relevant for detecting fast transient interference during our measurements.