Système de mesure multicanaux de distances pour la localisation des objets connectés dans les réseaux longue portée et basse consommation : De la modélisation jusqu’aux tests terrain

Multi-channel ranging system for the localization of wireless connected objects in low power wide aea networks : From modeling to field trials

• Auteur / Autrice : Florian Wolf
• Direction : Jean-Pierre Cances, Vahid Meghdadi Neyshabouri, Sebastien de Rivaz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes
• Date : Soutenance le 27/03/2020
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Pierre Cances, Sebastien de Rivaz, Elena Simona Lohan, Bernard Tourancheau, Laurent Clavier, François Dehmas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gerard Janssen, Marteen Wein

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement du signal

Systèmes d'identification par radiofréquence

Systèmes de communication sans fil

Internet des objets

Mots clés libres

Internet des objets (IoT)

Réseaux longue portée et basse consommation (LPWA)

Radio localisation

Estimation de distance

Sauts de fréquence

Phase d’arrivée (PoA)

Traitement cohérent

Narrow-Band IoT (NB-IoT)

LoRa

Sigfox

Internet of things (IoT)

Low power wide area (LPWA)

Radio localization

Ranging

Frequency hopping

Phase of arrival (PoA)

Coherent processing

Narrow-band IoT (NB-IoT)

LoRa

Sigfox

Résumé

L'Internet des objets (IoT, pour Internet of Things, en anglais) ouvre la porte vers la réalisation de nouvelles applications, telles que les compteurs intelligents et le suivi environnemental, destinées à adresser nos défis sociétaux et écologiques actuels et futurs. Les objets, possiblement mobiles ou distants, nécessitent une connectivité sans fil pour la centralisation des données et le contrôle à distance. Les réseaux longue portée et basse consommation (LPWA, pour Low Power Wide Area, en anglais) offrent des transmissions radio bande étroite avec une couverture à l’échelle typique d’une ville, tout en respectant les contraintes de consommation énergétique bas coût des objets. Intégrer la possibilité de localiser ces objets ajouterait de la valeur à leurs données et permettrait leur suivi géographique. Voilà pourquoi c'est un domaine de recherche très actif actuellement. L'utilisation du temps de propagation des signaux radio de communication, sans intégration supplémentaire de modules matériels dédiés à la localisation, est une approche très intéressante pour la complexité, la consommation et le coût des objets. Néanmoins la radio localisation dans les réseaux LPWA pose des défis liés d'une part aux transmissions à bande étroite qui n'offrent pas une résolution temporelle suffisante et d'autre part aux canaux de propagation qui peuvent introduire des biais sur les estimées de position. Cette thèse adresse ces défis en étudiant un système de mesure multicanaux de distance pour les réseaux LPWA. La combinaison cohérente des signaux bande étroite transmis séquentiellement sur des canaux différents améliore la précision d’estimation des temps de propagation et permet de résoudre en partie les multi-trajets pour une meilleure précision de localisation. Cette technique basée sur les signaux à bande instantanée étroite conserve la capacité longue portée des transmissions et reste compatible avec les réseaux LPWA. Un modèle détaillé prenant en compte les imperfections matérielles ainsi que les besoins protocolaires pour la synchronisation en temps, fréquence et phase est développé. Basé sur ce modèle, les variantes des architectures des émetteurs-récepteurs radios et leurs impacts sur la cohérence de phase pour l’estimation multicanaux de distance sont discutés. Les limites théoriques de précision sont dérivées pour la propagation en espace libre et dans des canaux de propagation multi-trajets, illustrant l’amélioration de précision possible entre l'approche multicanaux et l'approche monocanal pour l'estimation de distance. Des estimateurs de distance sont développés et appliqués aux signaux radio simulés afin de montrer que leurs performances atteignent les limites théoriques. Ces résultats de simulation sont validés avec des expérimentations menées avec un démonstrateur implémenté avec une radio logicielle (SDR, pour Software Defined Radio, en anglais). Les tests terrains réalisés en environnement urbain permettent de confirmer l'apport d'un système d'estimation multicanaux de distance, en combinaison avec du traitement de signal avancé, pour fournir une fonctionnalité de localisation intrinsèque et précise pour les réseaux LPWA.

The Internet of Things (IoT) is an enabler to new applications, such as smart metering and environmental monitoring, intended to address current and future societal and ecological challenges. Things, possibly mobile or in distant locations, require wireless connectivity for data collection and remote control. Low Power Wide Area (LPWA) networks provide city-scale long-range, narrowband radio transmissions respecting the energy constraints of battery-powered low-cost objects. Being capable to localize these objects will add value to their data, enables tracking applications and is therefore a demanded and recent research topic. Precise and accurate radio signal delay based positioning without integrating additional hardware but taking advantage of intrinsic wireless communication signals is appealing in terms of device complexity, cost and energy consumption. However, radio localization within LPWA networks is challenging due to narrowband transmissions, resulting in a lack of delay precision as well as due to radio propagation channels, which degrade the accuracy of location estimates. This work addresses both challenges by investigating a multi-channel ranging system for LPWA networks. Coherently combining multiple sequentially transmitted narrowband signals on different radio channels improves delay estimation precision and allows resolving multipath channels for refined positioning accuracy. This scheme, based on instantaneous narrowband signals, conserves the LPWA long-range feature and is hence compatible with LPWA networks. A detailed signal model considering hardware imperfections as well as the required protocol exchanges for time, frequency and phase synchronization is developed. Based on this model, the requirements on radio transceiver architectures regarding the necessary phase coherence for multi-channel ranging are discussed. Lower bounds on the ranging precision are derived for both, free-space and multipath propagation channels, illustrating the improved precision compared to narrowband single channel ranging. Numerical simulations of radio signals for the two-way multi-channel ranging protocol illustrate that the performance of developed range estimators attains the theoretical precision bound and pave the way towards implementation. A flexible Software Defined Radio (SDR) based demonstrator is implemented to validate simulation results. Field trials in real urban outdoor environments are in accordance with simulation results and prove how scalable multi-channel ranging, in combination with advanced signal processing methods, will be an enabler towards precise and accurate localization in LPWA networks.