Approches statistiques pour les communications centrées sur l'utilisateur

Statistical Approaches for Body Centric Wireless Communications

• Auteur / Autrice : Badre Youssef
• Direction : Christophe Roblin, Alain Sibille
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, informations et communications
• Date : Soutenance le 12/12/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....) - Laboratoire de Traitement et Communication de l'Information
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom Paris (Palaiseau, Essonne ; 1878-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Laheurte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Laheurte, Guillaume Villemaud, Martine Liénard, Raffaele D'Errico
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marc Laheurte, Guillaume Villemaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthodes statistiques

Traitement du signal

Systèmes de communication sans fil

Antennes (électronique)

Réseaux corporels sans fils

Mots clés libres

Electromagnétisme

Canal de propagation

Etudes Statistiques

Antennes

Estimation paramétrique

Traitement du signal

Communications sans fil

Réseau corporels sans fil

Electromagnetism

Propagation channel

Statistical studies

Antennas

Parametric estimation

Signal Processing

Wireless Communications

Wireless Body Area Networks.

Résumé

Les réseaux corporels sans fil (WBAN) sont étudiés depuis plus d'une vingtaine d'année. Les domaines d'applications sont multiples et ce type de communication repose sur des liaisons radio entre plusieurs terminaux à proximité du corps humain. On distingue principalement 3 types de liaisons selon le positionnement des antennes (in-on, on-on et on-off). Leurs spécificités sont d'une part, l'impact du corps humain sur le canal de propagation, c'est un perturbateur électromagnétique puissant qui est l'origine d'atténuations importantes et de mécanismes de propagation particuliers et d'autre part, le nombre de sources de variabilités qui est très important : le sujet, la nature du lien radio, les antennes, la fréquence et l'environnement proche. Tout ceci explique la complexité de ce type de canal et les difficultés à le modéliser de manière générique.A notre connaissance, les travaux menés jusqu'à présent ont permis d'extraire des modèles fondés la plupart du temps sur une approche plutôt classique en distance ayant l'avantage d'avoir une explication physique ou encore une approche fondée sur des scénarios qui permet d'avoir une orientation « applications ». Certaines sources comme l'environnement et la morphologie sont insuffisamment étudiées selon nous, tant qualitativement que quantitativement alors que leur influence est souvent significative et parfois importante selon le lien radio.L'objectif principal de la thèse est donc de proposer des modèles paramétriquo-statistiques pour différents observables, pour ces sources de variabilités, en prenant en compte un échantillon statistique plus important que ce qui a été fait aujourd'hui dans un contexte de liens radio. C'est ainsi que nous avons mis en place une méthodologie associant, la définition d'un plan d'expériences, d'une base de données suffisante issue de simulations et de mesures expérimentales permettant de disposer de données de références. L'approche expérimentale devient rapidement irréaliste lorsque la diversité des situations possibles doit être considérée car la combinatoire est explosive. On souligne que dans les publications fondées sur des mesures, les modèles obtenus sont propres à l'environnement considéré, ce qui n'est pas le but de notre approche.Pour l'environnement, nous avons développé un code de Ray Tracing simplifié permettant l'étude de n'importe quel environnement parallélépipédique vide et type de lien radio. Sachant que la taille des pièces a une influence, notre objectif est de déterminer si quantitativement cet effet est significatif ou de 2nd ordre, et éventuellement sous quelles conditions. Les environnements sont « catégorisés » et leurs paramètres explicatifs (dimensions et caractéristiques des murs) sont renseignés dans des plans d'expériences construits à partir d'informations de la littérature spécialisée. La méthode de l'hypercube latin, jugée simple et plus efficace que la méthode de Monte Carlo, a été utilisée pour l'échantillonnage de l'espace stochastique. Les éventuelles dépendances entre variables d'entrée sont traitées au moyen de copule.Concernant la variabilité morphologique, nous avons également adopté une approche par simulation en utilisant CST Studio Suite®. Nous avons fait l'hypothèse simplificatrice de considérer des fantômes homogènes. Cette approche « raisonnable » permet surtout d'obtenir « facilement » une variabilité anthropométrique importante à partir de logiciels de synthèses d'images. La variabilité des sujets a été considérée au moyen de deux critères anthropométriques : l'Indice de Masse Corporel et la Circonférence Abdominale au moyen de données représentatives et d'études statistiques.Pour ces variabilités et les observables étudiées, l'ajustement des modèles paramétriquo-statistiques obtenus par régression multilinéaire est satisfaisant à très satisfaisant selon le lien radio considéré. Ils sont de complexité modérée et définis par un nombre limité de paramètres.

Wireless Body Area Networks (WBANs) have been studied for over twenty years. This type of communication is based on radio links between several terminals close to the human body. There are 3 main types of link, depending on antenna positioning (i.e. in-on, on-on and on-off). Their specific features are, on the one hand, the impact of the human body on the propagation channel - a powerful electromagnetic disturbance that causes significant attenuation and particular propagation mechanisms - and, on the other hand, the number of sources of variability, which is very high: the subject, the nature of the radio link, the antennas, the frequency and the nearby environment. All this explains the complexity of this type of channel and the difficulty of modeling it in a generic way.To the best of our knowledge, the work carried out to date has produced models based mostly on a rather classical distance approach, which has the advantage of a physical explanation, or a scenario-based approach, which provides an “applications” orientation. Some sources, such as the environment and morphology, are insufficiently studied from our point of view, both qualitatively and quantitatively, even though their influence is often significant and sometimes important depending on the radio link.The main aim of this thesis is therefore to propose parametric-statistical models for various observables (path loss and delay spread), for these sources of variability, taking into account a larger statistical sample than has been done to date in the context of scenario based approach (describing on-on links). This is how we set up a methodology combining the definition of an experimental design, a sufficient database derived from simulations and experimental measurements to provide reference data. The experimental approach quickly becomes unrealistic when the diversity of possible situations has to be considered, as combinatorics is explosive. It should be stressed that in publications based on measurements, the models obtained are specific to the environment under consideration, which is not the aim of our approach.For the environment, we have developed a simplified Ray Tracing code (considering only specular reflections, which are most often the dominant contribution for the environment) allowing the study of any empty parallelepiped environment and type of radio link. Knowing that rooms size has an influence, our objective is to determine whether quantitatively this effect is significant or of 2nd order, and possibly under what conditions. The environments are “categorized” and their input parameters (dimensions and wall characteristics) are filled in an experimental design “constructed” from information in the specialized literature. The Latin hypercube method, considered simple and more efficient than the Monte Carlo method, was used to sample the stochastic space. Any dependencies between input variables are dealt with using copulas.For morphological variability, we also adopted a simulation approach using CST Studio Suite®. We made the simplifying assumption of considering homogeneous phantoms. This “reasonable” approach makes it “easy” to obtain significant anthropometric variability from image synthesis software. Subject variability was considered by means of two anthropometric criteria: Body Mass Index and Waist Circumference, using representative data and statistical studies.For these two variabilities and the observables studied, the fit of the parametric-statistical models obtained by multilinear regression was satisfactory to very satisfactory, depending on the radio link considered. They are of moderate complexity and defined by a limited number of parameters.