Réseau acoustique de communication bidirectionnelle ultrasonore efficace en milieu fermé

Bidirectional, ultrasound and effective communication of an acoustic array in a closed environment

• Auteur / Autrice : Arthur Aubertin
• Direction : Pierre Jouvelot, Julien de Rosny
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique temps réel, robotique et automatique
• Date : Soutenance le 11/05/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche en informatique (Fontainebleau, Seine et Marne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Régis Marchiano
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Jouvelot, Julien de Rosny, Dinh-Thuy Phan Huy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christophe Laot, Eric Bavu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Téléphonie -- Informatique

Communications par étalement du spectre

Mots clés libres

Acoustique

Miroir à renversement du temps

Ultrasons proches

Chirp

Antenne linéaire

Communication

Focalisation

Multi-utilisateurs

BER

Non-co-localisation

Expérimental

Acoustic

Time-Reversal Miror

Near Ultrasound

Chirp

Experimental

Linear array

Communication

Focusing

Multi-users

BER

Non-co-location

Résumé

Les méthodes et techniques de communications aéroportées acoustiques en intérieur représentent une alternative pertinente aux communications radio-fréquence, par exemple dans les zones ATEX, les environnements à forte interférence électromagnétique ou encore pour assurer un haut niveau de confidentialité. Néanmoins, les limites de telles communications sont un faible débit et l'incapacité de fonctionner correctement en présence d'obstacle ou de trajet complexe. Afin de dépasser ces limitations, ce travail de recherche introduit et développe théoriquement et expérimentalement un nouveau système de communication acoustique fondé sur les recherches et développements précédents de l'entreprise STIMSHOP. Le système opère dans le domaine fréquentiel des ultrasons proches en utilisant une modulation par étalement spectral, les chirps. Ainsi, la gêne de l'utilisateur est minimisée, la compatibilité avec du matériel grand public accrue et les signaux sont robustes face aux interférences. Un premier travail sur la synthèse des signaux permet, recouvrement de symbole et l'utilisation de formes de modulation particulières, d'obtenir une amélioration du débit et des capacités d'encodage. Un modèle analytique de prédiction de l'erreur au décodage, spécifique aux chirps, est développé et évalué. Un deuxième travail présente le développement et l'évaluation d'un élément émetteur-récepteur permettant de réaliser des communications SISO. L'assemblage de plusieurs de ces éléments permet ainsi le développement d'un miroir à retournement temporel, accompagné d'un protocole de communication dédié. Ce système de communication est alors évalué dans un large éventail de configurations en intérieur, dans des environnements réels et contraints, et pour des schémas de transmission MISO et MU-MISO. Le système est également étudié pour des communications entre un miroir à retournement temporel et un ou plusieurs smartphones. On met ainsi en lumière les capacités de ce système vis-à-vis d'un système classique SISO, en particulier le gain lié à la focalisation et le fonctionnement en configuration LOS et NLOS, mais également ses limites.

The methods and techniques of airborne acoustic communications indoors represent a relevant alternative to radio-frequency communications, for example in ATEX zones, environments with strong electromagnetic interference or even to ensure a high level of confidentiality. However, the limitations of such communications are low through put and the inability to function properly in the presence of an obstacle or complex path. In order to overcome these limitations, this research work introduces and develops theoretically and experimentally a new acoustic communication system based on previous research and developments of the company STIMSHOP. The system operates in the frequency domain of near ultrasoundusing spread spectrum modulation, chirps. Thus, user discomfort is minimized, compatibility with consumer equipment increased, and signals are robust against interference. A first work on the synthesis of signals makes it possible, overlapping of symbols and the use of particular forms of modulation, to obtain an improvement of the bit rate and of the encoding capacities. An analytical decoding error prediction model, specific to chirps, is developed and evaluated. A second work presents the development and evaluation of a transceiver element making it possible to carry out SISO communications.The assembly of several of these elements thus allows the development of a time reversal mirror, accompanied by a dedicated communication protocol. This communication system is then evaluated in a wide range of indoor configurations,in real and constrained environments, and for MISO and MU-MISO transmission schemes. The system is also designed for communications between a time-reversing mirror and one or more smartphones. This highlights the capabilities of this system vis-à-vis a conventional SISO system, in particular the gain linked to focusing and operation in LOS and NLOS configuration, but also its limits.