Développement d’un sondeur de canal MIMO Sub 6 GHz s’appuyant sur des cartes SDR et un signal LTE

Avec le développement du numérique et de l’Internet des objets, on assiste à un besoin croissant de débits de transmission par utilisateur, de capacité, de sécurité et de flexibilité des systèmes de communications. Cette tendance est générale dans tous les domaines de la société et notamment dans le domaine des transports. La digitalisation des services et la mobilité autonome et connectée nécessitent le développement de systèmes de communication V2X (Vehicules à tout) offrant des débits de transmission, une capacité et un niveau de sécurité de plus en plus élevés. Les réseaux cellulaires de cinquième génération (5G) promettent des améliorations importantes en termes de débit, de capacité, de latence et de fiabilité. Ainsi, grâce aux possibilités de cette technologie et en raison de l’obsolescence du système actuel de communication sol-train utilisé en Europe, le GSM-R (Global System for Mobile Communication – Railway) sera remplacé par le FRMCS (Future Railway Communication System) qui prévoit l’utilisation en parallèle de plusieurs techniques d’accès radio dont la 5G. Cette technologie 5G permettra l’émergence de nouveaux services : conduite à distance de trains sans conducteur à bord, déploiement de trains automatisés, couplage/découplage de trains en ligne, etc. Ainsi, la 5G ouvre la voie aux réseaux ferroviaires du futur plus connectés, plus automatisés et, ainsi, plus disponibles, plus sûrs et plus respectueux de l’environnement.Le développement de ces nouveaux services nécessite de garantir la robustesse, la fiabilité et la sûreté de fonctionnement des liens sans fils sur lesquels ils reposent. Pour ce faire, il convient de pouvoir évaluer les différents systèmes de communication en amont de leur déploiement dans des environnements ferroviaires représentatifs de ceux rencontrés le long des voies ferrées (tranchées, zones urbaines, zones rurales, gares, zones de triages, tunnels, etc.) grâce à l’émulation de ces environnements dans des émulateurs de canaux en utilisant des modèles de canaux. Les modèles de canaux représentatifs sont obtenus par des mesures ou des simulations (Tracer/lancer de rayons).Ainsi ce travail de thèse se focalise sur la mise en œuvre d’un sondeur de canal MIMO (Multiple-input, Multiple-output) 4 x 4 dans la gamme 1-6 GHz afin de caractériser différents environnements ferroviaires dont les modèles n’existent pas encore. L’équipement développé s’appuie sur l’utilisation de cartes radio logicielles et de logiciels spécifiques qui ont été modifiés. C’est un système de télécommunications de type LTE (Long Term Evolution) en deux parties : une station de base qui sera installée le long de l'infrastructure, et une station mobile dans le train. La mesure des caractéristiques du canal radioélectrique s'effectue grâce au calcul de l’estimation du canal via les pilotes d’un symbole LTE-OFDM. Il peut être utilisé en mobilité. L'ensemble est assez compact pour être transporté et permettre des mesures du canal dans tout type d'environnement.Dans ce mémoire nous décrivons les différents modèles de canaux de la littérature et nous analysons les modèles existants dans le domaine ferroviaire afin d’identifier les environnements où il faudra réaliser des mesures. Nous nous focalisons sur des modèles simples de type ligne à retard (Tapped Delay Line –TDL). Dans un deuxième temps nous proposons un état de l’art des différents types de sondeur de canaux et techniques de sondage du canal radioélectrique. Ce travail nous a permis de choisir la technologie du sondeur développé, à savoir un système reposant sur l’utilisation de cartes SDR reconfigurables (Software Defined Radio) et d’un signal de type LTE. Nous détaillons ensuite l’architecture, le principe et la mise en œuvre du sondeur de canal et sa validation par des mesures simples. Cette partie constitue le cœur de la thèse. Enfin le dernier chapitre est consacré à des mesures terrains. Nous concluons et donnons les perspectives très nombreuses du travail.With the development of digital technology and the Internet of Things, there is a growing need for transmission rates per user, capacity, security and flexibility of communications systems. This trend isgeneral in all areas of society and particularly in the field of transport. The digitization of services and autonomous and connected mobility require the development of V2X (vehicles for all) communication systems offering increasingly high transmission speeds, capacity and a level of security. Fifth generation (5G) cellular networks promise significant improvements in throughput, capacity, latency and reliability. Thus, thanks to the possibilities of this technology and due to the obsolescence of the current ground-train communication system used in Europe, GSM-R (Global System for Mobile Communication - Railway) will be replaced by FRMCS (Future Railway Communication System). ) which provides for the parallel use of several radio access techniques including 5G. This 5G technology will allow the emergence of new services: remote driving of trains without a driver on board, deployment of automated trains, coupling / decoupling of line trains, etc. Thus, 5G paves the way for the rail networks of the future that are more connected, more automated and, therefore, more available, safer and more respectful of the environment.The development of these new services requires guaranteeing the robustness, reliability and operational safety of the wireless links on which they are based. To do this, it is necessary to be able to assess the various communication systems upstream of their deployment in railway environments representative of those encountered along railways (trenches, urban areas, rural areas, stations, yard areas, tunnels, etc. .) by emulating these environments in channel emulators using channel templates. Representative channel models are obtained with measurements or simulations (Ray tracing/launching).Thus, this thesis work focuses on the implementation of a 4 x 4 MIMO (Multiple-input, Multiple-output) channel sounder in the 1-6 GHz range in order to characterize different railway environments for which models do not exist. not yet. The equipment developed is based on the use of software radio cards and specific software that have been modified. It is a two-part LTE (Long Term Evolution) type telecommunications system: a base station that will be installed alongside the infrastructure, and a mobile station on the train. The radio channel characteristics are measured by calculating the channel estimate via the pilots of an LTE-OFDM symbol. It can be used on the move. The assembly is compact enough to be transported and allow measurements of the channel in any type of environment.In this thesis we describe the different channel models in the literature and we analyze the existing models in the railway sector in order to identify the environments where it will be necessary to carry out measurements. We focus on simple Tapped Delay Line –TDL models. Secondly, we provide a state of the art of the different types of channel sounder and radio channel sounding techniques. This work allowed us to choose the sounder technology developed, namely a system based on the use of reconfigurable SDR (Software Defined Radio) cards and an LTE type signal. We then detail the architecture, principle and implementation of the channel sounder and its validation by simple measurements. This part constitutes the heart of the thesis. Finally, the last chapter is devoted to field measurements. We conclude and give very many perspectives of the work