Etude et mise en oeuvre de la technologie Li-Fi pour un lit de bébé connecté sans fil et sans radio

Study and implementation of Lifi technology for a wireless and radio-free connected baby bed

• Auteur / Autrice : Amina Boussebt
• Direction : Anne Julien-Vergonjanne, Stéphanie Castan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et ingénierie pour l'information
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Oussama Habachi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Oussama Habachi, Yannis Le Guennec, Gilles Chabriel, Jean-Pierre Cances
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yannis Le Guennec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photodiodes

Réseaux de capteurs (technologie)

Innovation

Télécommunications optiques

Mots clés libres

Communications optiques sans fil

Télésurveillance

Infrarouge

Modulation de position d’impulsion

Accès multiple par répartition de codes optiques

Codes optiques orthogonaux

Récepteur à annulation parallèle d’Interférence

Radio logicielle

Optical wireless communication (OWC)

Remote monitoring

Infrared (IR)

Pulse position modulation (PPM)

Optical code division multiple access (OCDMA)

Optical orthogonal codes (OOC)

Parallel interference cancellation receiver (PIC)

Software-defined radio (SDR)

Résumé

Le domaine de la télésurveillance a connu un grand essor ces dernières décennies et concerne divers contextes par exemple en milieu hospitalier, en maison de retraite, chez les particuliers. La majorité des systèmes de télésurveillance existants aujourd’hui reposent sur la technologie des radiofréquences (RF). Nous proposons dans cette thèse, des travaux portant sur la télésurveillance dans un contexte nouveau qui concerne une crèche. Les RF présentant certains inconvénients, comme l’impact des interférences électromagnétiques, mais aussi des failles de sécurité, une solution alternative est la technologie de communication par optique sans fil. Ainsi, nous avons étudié l'utilisation de la technologie infrarouge pour la transmission simultanée de données issues de capteurs placés sur les pieds des lits de bébé mais aussi sur les bébés couchés dans leur lit au sein de la crèche. Le système de réception est constitué de photodiodes situées aux coins d'un panneau d'éclairage central au plafond de l'environnement. La simulation du canal réalisée grâce à la technique de lancer de rayons associés à la méthode de Monte-Carlo a permis de déterminer le gain du canal pour chaque dispositif. Plusieurs scénarios de déploiement ont été définis en considérant le caractère amovible ou fixe des dispositifs et l’interchangeabilité des lits dans la pièce. Le partage du canal utilise la technique d’accès multiple par répartition de codes (OCDMA) associée aux codes optiques orthogonaux (OOC) dont la principale limitation est l’interférence d’accès multiple (IAM). Les performances de la modulation binaire par position d’impulsion (2-PPM) avec OCDMA et un décodage souple en réception ont été établies théoriquement et par simulation pour les différents scénarios définis considérant un réseau de 11 utilisateurs constitué de 8 lits et 3 dispositifs portés par des bébés. Les résultats ont été obtenus avec des récepteurs conventionnels par corrélation sans et avec limiteur puis un récepteur à annulation parallèle d’interférence plus efficace pour réduire l’impact de l’IAM. De plus, la faisabilité de l’utilisation de la technique OCDMA pour la transmission simultanée en optique sans fil a été mise en évidence par des expérimentations menées grâce à un banc de test développé en radio logicielle. Le banc a été mis en place, en utilisant des USRP (Universal Software Radio Peripheral) et des front-ends optique sans fil développés spécifiquement.

The field of the remote monitoring has experienced significant advancements in recent decades, and now covers different contexts, such as hospitals, retirement homes, and private homes also. The majority of existing systems are based on radio frequency technology (RF).We propose in this thesis, research focused on remote monitoring in a new context involving a nursery. Given the limitations of RF technology, including the impact of electromagnetic interference, and security vulnerabilities, an alternative solution is optical wireless communication technology. Therefore, we investigated the use of infrared technology for simultaneous transmission of data collected from sensors placed on the foot of baby beds, and also on the babies themselves lying in their beds within the nursery. The reception system consists of photodiodes positioned at the corners of a central lighting panel on the celling. The channel simulation carried out using ray-tracing and Monte-Carlo methods was used to determine the channel gain for each device. Several deployment scenarios were defined, considering the nature of the devices (removable or fixed) and the interchangeability of beds in the room. The channel sharing employs the code division multiple access (OCDMA) associated with the optical orthogonal codes (OOC) with the primary constraint being the137 multiple access interference (MAI). The performance of binary pulse position modulation (2- PPM) with OCDMA and soft decoding in reception was studied theoretically and by simulation involving the different scenarios. These scenarios consider a network of 11 users, consisting of 8 beds and 3 devices carried by babies. Results were obtained using the conventional correlation receiver without and with hard limiters, as well as a parallel interference cancellation receiver to reduce the impact of MAI. Additionally, the feasibility of implementing OCDMA technology for simultaneous optical wireless communication transmission was demonstrated through experimental work using a test bench developed in software-defined radio. The test bench was established using universal software radio peripheral (USRP), and specially designed wireless optical front-ends.