Brevet FR3072525A1 — publié le 20190419

MÉTHODE DE DÉTERMINATION DE COMPOSANTES MULTI-TRAJETS D'UN CANAL UWB IMPULSIONNEL DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne de manière générale le domaine des systèmes émission/réception de type UWB (Ultra Wide Band) impulsionnel ou IR-UWB (Impulse Response UWB). Elle trouve notamment son application dans le domaine du positionnement par balises IR-UWB et plus particulièrement pour le positionnement en intérieur (indoor positioning). ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La technique de transmission de type IR-UWB est bien connue de l'état de la technique, que ce soit pour des systèmes de télécommunications (par exemple au standard IEEE 802.15.4a ou IEEE 802.15.16) ou des systèmes de géolocalisation, la très faible durée des impulsions permettant d'obtenir une résolution de positionnement élevée. Un des facteurs limitatifs des systèmes de positionnements UWB, particulièrement présent en environnement indoor, est la présence de trajets multiples de propagation, encore dénommés composantes multi-trajets ou MPCs. La Fig. lA illustre la présence de composantes multi-trajets dans un canal de transmission entre un émetteur Tx et un récepteur Rx de type IR-UWB. Une impulsion émise par l'émetteur est réfléchie sur des objets 110, 120, 130 présents dans l'environnement, l'impulsion ainsi réfléchie arrivant en des instants t(k) i = ..., 13(k) où P(k) est le nombre de composantes multi-trajets et k est un indice représentant l'instance temporelle du canal de propagation (dénommée plus simplement dans la suite instance du canal de propagation) entre l'émetteur Tx et le récepteur Rx, comme précisé ci-après. L'indice k peut être conçu comme un indice temporel indexant des positions successives du récepteur par rapport à l'émetteur (récepteur mobile) ou des configurations successives de l'environnement (environnement évolutif), voire les deux 2 (récepteur mobile et environnement évolutif). Les temps d'arrivée (ToAs) t i(k) , i =1, ..., P(k) , sont tels que t i(k) > tik) où t(dk) correspond au chemin de propagation en ligne directe (LOS) de l'instance k du canal de propagation. On a représenté en Fig. 1B le signal reçu par le récepteur Rx pour différentes 5 instances du canal de propagation (ici des positions successives du récepteur). L'axe des abscisses donne l'instant de réception (encore dénommé délai) et l'axe des ordonnées l'instance du canal. Le canal (cf. Fig. 1A) est ici composé de quatre trajets, un trajet direct et trois trajets spéculaires (autrement dit ayant fait l'objet d'une simple réflexion). La composante directe (ou LOS) est désignée par 115. Les autres composantes multi-trajets 10 sont désignées par 125, 135 et 145. On remarque qu'en fonction de l'instance du canal (ici en fonction de la position du récepteur), les différentes composantes multi-trajets sont plus ou moins retardées par rapport au trajet LOS, il en résulte que celles-ci peuvent se chevaucher partiellement ou complètement (on parle alors de collision ou d'interférence de MPCs). Le résultat d'une telle collision de MPCs dépend de leurs formes d'onde et de 15 phases respectives et peut aboutir, par exemple en cas d'opposition de phase, à la disparition totale ou partielle de certaines MPCs dans le signal reçu, comme indiqué sur la figure pour l'instance de canal n° 3. L'estimation de la position d'un récepteur au moyen d'un système de géolocalisation IR-UWB nécessite en général la présence d'un nombre minimal de balises 20 émettrices (3 dans le plan et 4 dans l'espace, mais quelquefois moins en présence de parois réflectrices connues), encore appelées bases, dont les positions sont connues du récepteur. Chaque canal de propagation entre une base et le récepteur peut être de type multi-trajet de sorte que le récepteur peut recevoir un nombre important de composantes. Dans un tel cas, le récepteur peut se contenter de discriminer et exploiter les composantes LOS. 25 Toutefois, les composantes multi-trajets peuvent être également utilisées pour estimer la position du récepteur. En effet, la présence de MPCs permet, notamment dans le cas où un trajet direct disparaît (NLOS) lorsque le récepteur se déplace, de pouvoir continuer à estimer la position du récepteur sans dégradation sensible de l'erreur d'estimation. Plus généralement, la diversité introduite par les composantes multi-trajets peut être exploitée 3 (nombre plus important d'observables) pour estimer la position d'un récepteur mobile dans une méthode de navigation. Une méthode de navigation indoor d'un récepteur IR-UWB, aidée par la poursuite de composantes multi-trajets, est décrite dans l'article de J. Maceraudi et al. intitulé 5 « M u lti path components tracking adapted to integrated IR-UWB receivers for improved indoor navigation » publié dans Proc. of 24th European Signal Processing Conference (EUSIPCO), 2016, pp. 753-757. L'algorithme de poursuite fait toutefois appel à un ensemble complexe de filtres de Kalman à hypothèses multiples (MHKFs). Une méthode d'obtention du temps d'arrivée en ligne directe (LOS) aidée par 10 détermination de composantes multi-trajets dans un système de géolocalisation IR-UWB a été décrite dans l'article intitulé « Multipath-aided direct path ToA reconstruction for integrated UWB receivers in generalized NLS, Proc. of 86th Vehicular Technology Conference (VTC), Sept. 2017. Selon cette méthode, l'évanouissement des MPCs (causé par des 15 collisions/interférences) est en partie évité au moyen d'une opération de filtrage passe-bas (moyenne glissante) avant leur détection, appliquée sur la réponse de canal temporelle acquise par le récepteur. Ce pré-filtrage a toutefois pour inconvénient de supprimer une partie du signal utile et d'introduire une latence dans l'estimation de canal, le système devant attendre un certain nombre d'échantillons avant de pouvoir restituer une valeur 20 filtrée. Dans un autre domaine d'application, un récepteur de système de télécommunication IR-UWB a recours à une intégration du signal reçu dans des fenêtres temporelles pour récupérer les symboles transmis. Un tel récepteur, capable en outre d'opérer dans une pluralité de bandes possibles, a été décrit dans la demande de brevet 25 FR-A-2 996 969. Dans un tel récepteur, il est nécessaire de déterminer les positions des fenêtres temporelles dans lesquelles se trouvent les impulsions. En présence de canal multi-trajet, il peut être utile d'utiliser un filtre en râteau (RAKE) pour sommer les contributions des composantes multi-trajets, ce qui suppose de pouvoir les déterminer et, le cas échéant, de les poursuivre lorsque le récepteur se déplace et/ou lorsque l'environnement évolue. 4 Dans tous les cas, que le récepteur fasse partie d'un système de géolocalisation ou d'un système de télécommunication IR-UWB, la détermination des composantes multitrajets devra s'affranchir autant que possible des situations d'interférence mentionnées plus haut. 5 L'objet de la présente invention est par conséquent de proposer une méthode de détermination de composantes multi-trajets d'un canal de propagation dans un système de géolocalisation ou de système de télécommunication IR-UWB qui permette de résoudre de manière simple les différentes composantes multi-trajets même en situation d'interférence. 10 EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention est définie par une méthode de détermination de composantes multi-trajets d'un canal de propagation dans un système IR-UWB comprenant un émetteur et un récepteur, caractérisé en ce que ledit émetteur émet une pluralité d'impulsions UWB à une pluralité ( N ) de fréquences centrales distinctes et que 15 le récepteur translate en bande de base la réponse du canal à chacune de ces impulsions, l'intègre sur des fenêtres temporelles pour fournir une pluralité d'échantillons complexes, combine les modules au carré des échantillons complexes correspondant à un même temps de vol et aux différentes fréquences centrales pour obtenir un échantillon composite à chaque temps de vol, les composantes multi-trajets du canal étant déterminées à partir 20 des échantillons composites en des temps de vol successifs, excédant un seuil prédéterminé. Selon un premier mode de réalisation, ladite pluralité d'impulsions est émise sous forme d'une trame d'impulsions successives, les modules au carré des échantillons complexes correspondant à une même fréquence centrale et aux différents temps de vols 25 successifs étant stockés dans un buffer avant l'étape de combinaison. Avantageusement, la durée de la trame est choisie inférieure au temps de cohérence du canal. Ledit récepteur peut être par exemple un récepteur multi-bande à double quadrature. 5 Selon un second mode de réalisation, ladite pluralité d'impulsions aux différentes fréquences centrales est émise simultanément par l'émetteur. Les fréquences centrales sont par exemple choisies égales à fc.1 =3.5 GHz, fc2 = 4 GHz, fc.3 = 4.5 GHz et la largeur de bande des impulsions est prise égale à 500 5 MHz. Selon un exemple d'application, lesdites composantes multi-trajets ainsi déterminées sont utilisées pour estimer la position du récepteur. L'invention concerne encore un récepteur adapté à mettre en oeuvre la méthode de détermination de composantes multi-trajets d'un canal de propagation selon le premier 10 mode de réalisation, ledit récepteur comprenant : - un module de réception IR-UWB mutltibande adapté à recevoir la réponse dudit canal à une trame d'impulsions UWB successives émises à une pluralité (N) de fréquences centrales distinctes, à translater en bande de base la réponse dudit canal à chacune des impulsions, à intégrer sur des fenêtres temporelles successives le signal ainsi 15 translaté pour fournir une pluralité d'échantillons complexes correspondant à des temps de vol successifs ; - un module de calcul pour calculer les modules au carré des échantillons complexes ainsi obtenus ; - un module de combinaison pour combiner les échantillons correspondant à 20 un même temps de vol et aux différentes fréquences pour fournir un échantillon composite pour ledit temps de vol ; - un module de comparaison pour déterminer les composantes muti-trajets à partir des échantillons composites aux temps de vol successifs excédant un seuil prédéterminé. 25 L'invention concerne enfin un récepteur adapté à mettre en oeuvre la méthode de détermination de composantes multi-trajets d'un canal de propagation selon le second mode de réalisation, ledit récepteur comprenant : - une pluralité de modules de réception IR-UWB en parallèle, chaque module de réception IR-UWB étant adapté à translater en bande de base la réponse dudit canal à 30 une fréquence centrale, parmi une pluralité de ( N ) de fréquences centrales distinctes, à 6 intégrer sur des fenêtres temporelles successives le signal ainsi translaté pour fournir une pluralité d'échantillons complexes correspondant à des temps de vol successifs ; - une pluralité de modules de calcul pour calculer les modules au carré des échantillons complexes respectivement fournis par les modules de réception; 5 - un module de combinaison pour combiner les échantillons correspondant à un même temps de vol et aux différentes fréquences centrales distinctes pour fournir un échantillon composite pour ledit temps de vol ; - un module de comparaison pour déterminer les composantes muti-trajets à partir des échantillons composites aux temps de vol successifs excédant un seuil 10 prédéterminé. Les modules de réception IR-UWB peuvent être par exemple de type à double quadrature. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un 15 mode de réalisation préférentiel de l'invention, fait en référence aux figures jointes parmi lesquelles : La Fig. 1A, déjà décrite, représente de manière schématique un canal de propagation multi-trajet entre un émetteur et un récepteur IR-UWB ; La Fig. 1B, déjà décrite, représente le signal reçu par le récepteur de la Fig. 1A pour 20 différentes positions de ce dernier ; La Fig. 2 représente un cas d'interférence entre deux composantes multi-trajets au niveau d'un récepteur IR-UWB ; La Fig. 3 représente de manière schématique un récepteur IR-UWB mettant en oeuvre une méthode de détermination de composantes multi-trajets selon un premier 25 mode de réalisation de l'invention ; La Fig. 4 représente de manière schématique la structure d'un module de réception pouvant être utilisé dans le récepteur IR-UWB de la Fig. 3 ; 7 La Fig. 5 représente de manière schématique un récepteur IR-UWB mettant en oeuvre une méthode de détermination de composantes multi-trajets selon un second mode de réalisation de l'invention ; La Fig. 6A est un grossissement de la Fig. 2 autour du point d'apparition de 5 l'interférence entre les deux composantes multi-trajets; La Fig. 6B représente les mêmes composantes multi-trajets après traitement de l'interférence dans le récepteur de la Fig. 3. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Nous considérons dans la suite un système IR-UWB comprenant au moins un 10 émetteur Tx et un récepteur Rx. Ce système peut être un système de télécommunication, un système de géolocalisation comme mentionné plus haut, voire un simple système de mesure de distance entre l'émetteur et le récepteur. Nous supposerons que l'émetteur Tx est adapté à transmettre dans une pluralité de bandes de fréquence, plus précisément des impulsions UWB à une pluralité de 15 fréquences centrales distinctes soit : se (t,a0= A, cos(co, (t-0+ ço.) exp ( (1) (t -2 \ 0 2TB2W ) OÙ A, est l'amplitude de l'impulsion émise, fc = co, est la fréquence centrale de 2;1- 20 l'impulsion, pouvant prendre plusieurs valeurs fcl ,..., fc'T , t, est l'instant d'émission correspondant au centre de l'impulsion, v est la phase à l'émission, inconnue et modélisée comme une variable aléatoire uniformément répartie sur [0,24, TB w est une durée représentative de l'enveloppe gaussienne et inversement proportionnelle à la largeur de la bande passante BW . Pour distinguer les émissions d'impulsions aux 25 différentes instances temporelles k = 1,..., K du canal de propagation, nous introduisons la (k) notation s 1 , fie (t, a) pour indiquer que l'impulsion a été émise a l'instance k : 8 (k) ( (2) (t , CO,) = Ae cos (co, (t- tc(k))+ qfk)) exp (t te(k) )2\ 2T2 BW où t.k) et çdk) sont respectivement l'instant d'émission et la phase à l'émission relatifs à 5 l'instance k du canal. Si l'on suppose que le canal de propagation comporte une pluralité P de composantes multi-trajets (considérée ici indépendante de k pour simplifier les notations) et que l'on prend une même origine des temps de vol (ou de manière équivalente des temps d'arrivée, les uns découlant des autres par la connaissance du temps d'émission), 10 t c(k) =0 à chaque instance, le signal reçu par le récepteur Rx pour l'instance k du canal, s'écrit : r(k) (t , (Oc) =1 Aeoei(k) cos(co, (t - ri(k) )± 0,(k) 1-1 v(k))exp ( (t -1-k))2 (3) 2T:w 15 où a(k) 9(k) et r i(k) sont respectivement le coefficient d'atténuation et le déphasage introduits par le trajet associé à la MPC i de l'instance temporelle de canal k. Dans un récepteur IR-UWB multi-bande tel que celui décrit dans la demande FRA-2 996 969, la combinaison des quatre sorties du module de réception en double-quadrature permet d'acquérir le signal dans différentes sous-bandes. Pour une sous-bande 20 donnée, le signal est décomposé sur une base orthogonale constituée de deux sinusoïdes en quadrature à une fréquence centrale, puis intégré sur une fenêtre temporelle w =Lt _W t ±Wl, de largeur W centrée sur l'instant d'échantillonnage ts, pour fournir s 2 2 un échantillon d'intensité : 9 ( \ 2 ( \ 2 dt + (Oc t)dt ( 4 ) bin(k) (t , coc) = W) cos (Oct où bin(k) (t , 0) représente l'échantillon d'intensité obtenue par intégration sur la fenêtre temporelle W. . 5 Si l'on étudie maintenant le cas d'une interférence entre deux composantes multi- trajets du canal (par exemple deux trajets indirects et absence de trajet direct), l'échantillon en sortie du récepteur bin(k) (t , coc) peut s'exprimer sous la forme : 10 bin(k) (t ' (0,) = (e) )2 +I (t (Oc) ( (t -1-k))2 \ (5-1) avec Ai(k) = Aecri(k) f exp ( 2 \ dt, A.,k) = Aecr2(k) f exp dt et où w, (t _r) w, 2 T2 Bw 2 TB2w ) ) /(k) (t, a) est un terme d'interférence défini par : 1(k) (t'wc.), 2,4i(k),4,(2k) cos (a), (rk) -1-2(k) (0(k) - 02(k) )) (5-2) 15 On voit que dans l'expression (5-1) les termes (A[k) y et (e)2 sont les contributions respectives de la première et de la seconde composante multi-trajet en absence d'interférence et que le terme d'interférence /(k)(ts,coc) varie de manière sinusoïdale en fonction de l'écart de temps de vol sur les deux trajets du canal. 20 La Fig. 2 illustre le cas étudié envisagé ci-dessus (canal simplifié à deux MPCs) en donnant l'intensité du signal estimé par le récepteur IR-UWB pour des instances k successives du canal de transmission. On a représenté en abscisses les positions successives du récepteur (instances de 25 canal) au cours du temps et en ordonnées les instants d'échantillonnage t s (autrement dit 10 les délais au sein de la réponse de canal). On a supposé que les temps de vol r i(k) j = 1,2, dépendaient linéairement de la position du récepteur (cas d'un récepteur se déplaçant à vitesse constante). Les impulsions ont une fréquence centrale de 4 GHz et une largeur de bande de 500 MHz. Le récepteur utilise des fenêtres d'intégration d'une largeur de 2ns, 5 décalées d'1 ns. On remarque sur la Fig. 2 que les deux composantes donnent des interférences constructives pour certaines positions du récepteur et des interférences destructives dans d'autres. En particulier, aux positions identifiées par 210 et 220, on note une absence totale de signal correspondant à une superposition exacte des impulsions reçues avec une opposition de phase entre elles. En ces positions 210 et 220, le récepteur 10 IR-UWB ne permet pas de déterminer les composantes MPCs. L'idée à la base de l'invention est d'utiliser des impulsions IR-UWB à différentes fréquences centrales et d'effectuer, pour une même instance temporelle de canal, une combinaison des échantillons relatifs (à un même temps de vol et) à différentes fréquences centrales. En effet, on comprend que, pour une instance temporelle de canal donnée, la 15 situation d'interférence entre deux MPCs ne concerne qu'une seule fréquence centrale. En d'autres termes, au lieu de considérer une instance temporelle de canal à une fréquence centrale donnée, on combine les réponses de ce canal aux différentes fréquences pour s'affranchir des interférences. 20 La Fig. 3 représente de manière schématique un récepteur IR-UWB mettant en oeuvre une méthode de détermination des composantes multi-trajets d'un canal, selon un premier mode de réalisation de l'invention. Plus précisément, le récepteur Rx, 300, comprend une antenne 310 et un module de réception IR-UWB multi-bande, 320. Le module de réception 320 présente une 25 architecture à double quadrature et est avantageusement configuré pour pouvoir opérer dans une pluralité de sous-bandes, comme décrit dans la demande FR-A-2 996 969. Dans le cas présent, le module 320 est configuré pour se synchroniser sur les impulsions IR-UWB à différentes fréquences centrales fcl fc.N et à les translater en bande de base. On suppose dans ce premier mode de réalisation que, pour chaque instance 30 temporelle de canal k, l'émetteur Tx émet une séquence de N impulsions respectivement 11 centrées sur les fréquences centrales précitées. Le signal émis comprend au moins une trame constituée de N intervalles de durée T , une impulsion IR-UWB de fréquence centrale fc.'2 étant émise pendant le i ème intervalle. Corrélativement, le module de réception 320 est centré sur jc pendant un premier intervalle de réception, sur jc 5 pendant un deuxième intervalle de réception et ainsi de suite jusqu'au N ème intervalle de réception. On supposera également dans la suite que NT REVENDICATIONS1. Méthode de détermination de composantes multi-trajets d'un canal de propagation dans un système IR-UWB comprenant un émetteur et un récepteur, caractérisée en ce que ledit émetteur émet une pluralité d'impulsions UWB à une pluralité (N) de fréquences centrales distinctes et que le récepteur translate en bande de base la réponse du canal à chacune de ces impulsions, l'intègre sur des fenêtres temporelles pour fournir (320; 5201-520N) une pluralité d'échantillons complexes, combine (350; 550) les modules au carré des échantillons complexes correspondant à un même temps de vol et aux différentes fréquences centrales pour obtenir un échantillon composite à chaque temps de vol, les composantes multi-trajets du canal étant déterminées (350) à partir des échantillons composites en des temps de vol successifs, excédant un seuil prédéterminé. 2. Méthode de détermination de composantes multi-trajets d'un canal de propagation dans un système IR-UWB selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite pluralité d'impulsions est émise sous forme d'une trame d'impulsions successives, les modules au carré des échantillons complexes correspondant à une même fréquence centrale et aux différents temps de vols successifs étant stockés dans un buffer avant l'étape de combinaison. 3. Méthode de détermination de composantes multi-trajets d'un canal de propagation dans un système IR-UWB selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la durée de la trame est choisie inférieure au temps de cohérence du canal. 4. Méthode de détermination de composantes multi-trajets d'un canal de propagation dans un système IR-UWB, selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit récepteur (320) est un récepteur multi-bande à double quadrature. 17 5. Méthode de détermination de composantes multi-trajets d'un canal de propagation dans un système IR-UWB selon la revendication 1, caractérisée en ce que ce que ladite pluralité d'impulsions aux différentes fréquences centrales est émise simultanément par l'émetteur. 5 6. Méthode de détermination de composantes multi-trajets d'un canal de propagation dans un système IR-UWB, selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les fréquences centrales sont fc.1 = 3.5 GHz, L.2 = 4 GHz, fc3 - 4.5 GHz et que la largeur de bande des impulsions est de 10 500 MHz. 7. Méthode de détermination de composantes multi-trajets d'un canal de propagation dans un système IR-UWB, selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en 15 ce que lesdites composantes multi-trajets ainsi déterminées sont utilisées pour estimer la position du récepteur. 8. Récepteur adapté à mettre en oeuvre la méthode de détermination de composantes multi-trajets d'un canal de propagation selon l'une des revendications 2 à 4, 20 caractérisé en ce qu'il comprend : - un module de réception IR-UWB multibande (320) adapté à recevoir la réponse dudit canal à une trame d'impulsions UWB successives émises à une pluralité ( N ) de fréquences centrales distinctes, à translater en bande de base la réponse dudit canal à chacune des impulsions, à intégrer sur des fenêtres temporelles successives le signal ainsi 25 translaté pour fournir une pluralité d'échantillons complexes correspondant à des temps de vol successifs ; - un module de calcul (330) pour calculer les modules au carré des échantillons complexes ainsi obtenus ; - un module de combinaison (350) pour combiner les échantillons correspondant à un même temps de vol et aux différentes fréquences pour fournir un échantillon composite pour ledit temps de vol ; 18 - un module de comparaison (360) pour déterminer les composantes mutitrajets à partir des échantillons composites aux temps de vol successifs excédant un seuil prédéterminé. 5 9. Récepteur adapté à mettre en oeuvre la méthode de détermination de composantes multi-trajets d'un canal de propagation selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend : - une pluralité de modules de réception IR-UWB (5201,...,520N) en parallèle, chaque module de réception IR-UWB étant adapté à translater en bande de base la réponse 10 dudit canal à une fréquence centrale, parmi une pluralité de ( N ) de fréquences centrales distinctes, à intégrer sur des fenêtres temporelles successives le signal ainsi translaté pour fournir une pluralité d'échantillons complexes correspondant à des temps de vol successifs ; - une pluralité de modules de calcul (5301,...,530N) pour calculer les modules 15 au carré des échantillons complexes respectivement fournis par les modules de réception; - un module de combinaison (550) pour combiner les échantillons correspondant à un même temps de vol et aux différentes fréquences centrales distinctes pour fournir un échantillon composite pour ledit temps de vol ; - un module de comparaison (560) pour déterminer les composantes muti- 20 trajets à partir des échantillons composites aux temps de vol successifs excédant un seuil prédéterminé. 10. Récepteur adapté à mettre en oeuvre la méthode de détermination de composantes multi-trajets d'un canal de propagation selon la revendication 9, caractérisé en ce que les modules de réception IR-UWB sont à double quadrature. 25