Contribution à la modélisation des performances des systèmes de communications sans fil embarqués dans les véhicules automobiles

Perforance evaluation of vehicle radiofrequency communication systems : contribution to the modelling approach

• Auteur / Autrice : Jessen Narrainen
• Direction : Martine Liénard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 07/03/2017
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes) - Institut d'Electronique et de Télécommunications de Rennes / IETR
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Renault SAS Guyancourt
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Laheurte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martine Liénard, Jean-Marc Laheurte, Rodolphe Vauzelle, Philippe Boutier, Philippe Besnier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rodolphe Vauzelle, Raffaele D'Errico

Mots clés

Mots clés contrôlés

Technologies de l'information et de la communication

Antennes (électronique)

Ondes électromagnétiques -- Diffraction

Ondes électromagnétiques -- Propagation

Réseaux ad hoc de véhicules

Mots clés libres

IEEE 802.11p.

Communication sans fil embarqué

Vehicular ad hoc networks (Computer networks)

Electromagnetic waves – Transmission

Electromagnetic waves -- Diffraction

Antennas (Electronics)

Résumé

Le cadre général de cette thèse porte sur les communications véhicule à véhicule (V2V). L'objectif principal de ce type de communication est d'améliorer la sécurité routière et d'optimiser la fluidité du trafic. Les performances de systèmes de communication embarqués dépendent principalement de la configuration des antennes, du type de récepteurs utilisés (modem) et du canal de propagation. Le sujet de la thèse se concentre précisément sur l'élaboration d'un outil de simulation robuste et fiable pour optimiser les choix technologiques d'antennes et leurs implantations à bord. Il permettra de limiter ainsi le recours aux prototypes et aux essais de roulage. Dans un premier temps, nous avons proposé une méthode de type géométrique-stochastique pour modéliser des canaux de propagation d'un système de communication V2V. Cette méthode permet de définir des scénarios dynamiques et sa flexibilité nous offre l'opportunité de paramétrer les caractéristiques d'un canal de propagation. Nous montrons pour l'essentiel de quelle manière l'agencement et le nombre de diffuseurs de forme simple peuvent contribuer à influencer les statistiques de l'étalement des retards, la distribution des angles d'arrivée et les spectres Doppler. Dans la deuxième partie de ces travaux, nous nous focalisons sur la problématique d'intégration d'antenne. Il a été constaté qu'il est particulièrement utile de simplifier la maquette numérique du véhicule complet lors d'une simulation électromagnétique de l'antenne intégrée à bord de ce véhicule. De plus, dans cette section, nous avons étudié la limite de la validité de substitution d'une antenne intégrée à bord par son seul diagramme de rayonnement dans les modèles de canaux de propagation. A partir de cette étude, nous en avons déduit, que les interactions électromagnétiques avec les éléments se situant dans le champ-proche n'étaient plus valides. Ainsi, une stratégie de correction a été trouvée en considérant l'élément en champ proche dans la simulation initiale de l'antenne intégrée sur le véhicule. L'évaluation des performances d'antennes, en termes de taux d'erreurs paquet, après l'implémentation de la couche physique du standard 802. 11 p, est au cœur de la troisième partie de cette thèse. Des résultats de simulation, pour chaque configuration d'antenne, ont été donnés pour plusieurs combinaisons de paramètres de couche PHY tels que le débit et la longueur de paquet. La dernière partie de ce manuscrit traite de la présentation d'une campagne de mesure qui a été réalisée principalement dans un environnement de type rural. Les essais de roulage avaient pour but de démontrer la capacité des méthodes de simulation à faire un choix approprié d'installation d'antenne. Nous avons constaté que les tendances attendues des performances de communication en termes de PER sont globalement prévisibles à partir de notre modèle bien que nous ayons obtenu des résultats surprenants dans certains cas. Ce qui nécessitera une enquête plus approfondie.

The general framework of this Ph.D. thesis deals with Vehicle to Vehicle (V2V) communications. This communication is principally dedicated to reinforce security through exchange of information between vehicles in case of unexpected events. The development of V2V solutions requires the understanding and merging of a number of techniques from several communication technology areas. Indeed, the performance of these systems are related to three main blocks: the implementation of the modems, the antenna configuration and the fast varying electromagnetic environment surrounding the transmitter and the receiver. The purpose of this PhD thesis is precisely to elaborate a design strategy to investigate all the different blocks constituting the communication chain. The ultimate goal is to optimize antenna selection and location on board the vehicle. In the first place, we proposed a geometry-based stochastic channel modelling approach to develop virtual dynamic scenarios. It was shown that the most common propagation environments such as rural, highway or urban-like propagation channels are reached through adjustment or numbers and location of simple metallic plates. Using this method, we are able to emulate the characteristics, such as the delay spread, angles of arrival distribution and the Doppler spectrum, of these typical driving scenarios. Moreover, we dealt with antenna integration problems in the second part of this work. A study on the simplification of numerical models of vehicles was carried out. Furthermore in this section, we investigated the limit of validity of representing the integrated antenna on board vehicle solely by its radiation pattern. We deduced from this study that the interactions with the elements present in the near-field is no longer valid. Thus, a strategy to alleviate the degree of error was found upon consideration of the near-field scatter in the a-priori simulation of the antenna integrated on the vehicle. In the third part of this thesis, we evaluated the performance of different antenna configurations in terms of packet error rate after the embodiment of the PHY layer of the LEEE 802.11p standard. Simulation results, for each antenna configurations, was given for several combinations of PHY layer parameters such as data rate and packet length. The last part of this manuscript is dedicated to the presentation of a measurement campaign that was carried out in a rural driving environment. Results obtained from these functional tests were confronted with simulation results to demonstrate the strength of the latter. We found that the expected trends in communication performance in terms of PER are globally predictable from our model though we obtained surprising results in some cases, needing further investigation.