Étude et développement d'un système de communication radio à haute sensibilité destiné à l'internet des objets

Study and development of a high sensitivity radio communication system dedicated to IoT

• Auteur / Autrice : Mohammadmahdi Asgharzadeh
• Direction : Emil Novakov, Ghislaine Maury
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquence
• Date : Soutenance le 11/12/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Kosai Raoof
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Norbert Noury, Slavka Tzanova

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit radioélectrique

Radio -- Récepteurs et réception

Internet des objets

Mots clés libres

Sensibilité de récepteur

Synchronisation

Système de communication

Internet des objets

Receiver sensitivity

Synchronisation

Communication system

Internet of Things

Résumé

L'Internet des objets est un nouveau concept dans lequel la connexion Internet s'étend aux objets du monde réel pour les faire communiquer les uns avec les autres. La communication dans un système IoT peut être établie en utilisant des réseaux cellulaires ou des réseaux utilisant des fréquences libres.Il existe de nombreuses normes de communication pour les applications IoT. Il existe également de nombreuses techniques de modulation. Il n'y a pas une unique solution parfaite qui réponde à tous les besoins et toutes les exigences dans tous les domaines. Le choix du bon standard de communication et de la technique de modulation est spécifique pour chaque cas d'utilisation et dépend de chaque application.Au cours de cette recherche, au lieu de présenter une nouvelle norme de communication ou une nouvelle technique de modulation, nous avons amélioré la sensibilité du récepteur tout en utilisant la technique de modulation et les normes de communication existantes. L'amélioration de la sensibilité du récepteur augmente le bilan de liaison. Un meilleur bilan de liaison, dans certaines conditions de propagation, augmente la distance de communication.Le moyennage synchronisé a été proposé et étudié en profondeur en tant que technique efficace pour améliorer le rapport signal sur bruit en augmentant l'énergie du signal sans modifier la puissance du signal. Cependant, le système de synchronisation limite l'efficacité du moyennage synchronisé. Le problème de synchronisation peut être divisé en synchronisation en phase et synchronisation en fréquence. Toute variation de fréquence de l'oscillateur local induite par le bruit de phase) a un impact sur la synchronisation. L’impact du bruit de phase sur le modulateur MSK a été étudié dans ce travail. Une méthode innovante a ensuite été développée pour combiner le processus de synchronisation avec le moyennage.Différentes normes de communication radio et les techniques conventionnelles basées sur les réseaux LPWA ont été présentées dans le premier chapitre. Les bases théoriques de la méthode de moyennage synchronisé (en télécommunications) et les méthodologies de simulation sont présentées au chapitre deux. Le problème de synchronisation ainsi que les différentes solutions pour l’améliorer ont été présentés au chapitre trois.Les performances de la méthode de moyennage synchronisé avec et sans nouvelles techniques de synchronisation ont été mesurées et les résultats sont présentés au chapitre quatre. Le gain de traitement résultant du calcul théorique est comparé aux résultats des mesures.

The Internet of Things (IoT) is a new approach in which the Internet connection extends into real-world objects to make them communicate with each other. The communication for IoT can be established using cellular networks or the licence-free frequencies in the Industrial, Scientific and Medical (ISM) bands. There are many communication standards for IoT applications. There are also many modulation techniques. Nevertheless, there is no perfect solution for all the needs and requirements in all domains. The choice of the right communication standard and modulation technique is unique for each use-case and depends on each specific application.In this research, instead of developing a new communication standard or a new modulation technique, we improved the receiver sensitivity while using the existing modulation technique and communication standards. Improving the receiver sensitivity increases the link budget. A better link budget, under certain propagation conditions, increases the communication distance. Different radio communication standards and conventional techniques based on Low Power Wide Area Networks (LPWAN) are presented in the first chapter.The theoretical basis of the time-synchronous averaging (TSA) method as a powerful signal processing method to improve the sensitivity of the RF receiver and the simulation methodologies are presented in chapter two. We also study the impact of phase noise on the MSK modulator in this chapter.The synchronisation problem, as well as the different solutions to improve it, are presented in chapter three. Synchronisation in phase and frequency are studied separately, and an innovative method has been developed to combine the synchronisation process with averaging.The performance of the synchronised averaging method with and without new synchronisation techniques was measured, and the results are presented in chapter four. The processing gain from the theoretical calculation is compared with the measurement results too.