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Les solutions 3GPP LPWA (Low Power Wide Area) version 13: LTE-M et NB-IoT
Reconnaissant l’importance de l’IoT, le 3GPP a introduit un certain nombre de fonctionnalités clés dans ses dernières versions [10] visant à améliorer les réseaux existants du système mondial de communications mobiles (4G LTE) pour mieux servir les divers applications IoT, surtout les applications bande étroite (NB-IoT, Narrow Band Internet Of Things). L’extension de la couverture, la réduction de la complexité de l’UE (User Equipement), la longue durée de vie de la batterie et la rétrocompatibilité sont les objectifs. NB-IoT est conçu principalement pour les applications IoT ultra-bas débit et vise à offrir une flexibilité de déploiement permettant à un opérateur d’introduire le NB-IoT en utilisant une petite partie de son spectre disponible existant.
NB-IoT est une nouvelle technologie d’accès radio qui n’est pas totalement rétrocompatible avec les appareils 3GPP existants. Il est cependant conçu pour atteindre d’excellentes performances de coexistence avec les technologies GSM, GPRS (General Packet Radio Service) et LTE. NB-IoT nécessite une bande passante système minimale de 180 kHz pour les liaison descendante et montante [11]. Le choix de la bande passante système minimale permet un certain nombre d’options de déploiement. Un opérateur GSM peut remplacer une porteuse GSM (BP = 200 KHz) par NB-IoT. Un opérateur LTE peut déployer le NB-IoT à l’intérieur d’une porteuse LTE en allouant l’un des blocs de ressources physiques (PRB) de 180 kHz au NB-IoT. Un opérateur LTE a également la possibilité de déployer le NB-IoT dans la bande de garde du transporteur LTE.
Pour s’adapter aux exigences du marché en évolution vers la 5G puis NB-IoT, Le développement des réseaux 4G s’est déroulé en trois phases identifiées par les versions du standard de l’organisme de normalisation 3GPP:
Les versions 8 et 9 sont la base du standard LTE.
Les versions 10, 11 et 12 sont la base du standard LTE-Advanced. Les versions 13 et 14 sont la base du standard LTE-Advanced Pro.
La LTE Advanced Pro [3] a introduit une suite de deux technologies à bande étroite optimisées pour l’IoT. Collectivement appelées LTE IoT, ces versions prennent en charge plus efficacement les applications à faible débit de données. La LTE IoT, compatible avec les réseaux et le spectre LTE existants et prévus, et non interférant avec d’autres appareils ou services, fournit un chemin aisé pour servir l’IoT dans les déploiements de réseau existants. Le version 13 de la norme 3GPP a introduit deux catégories d’équipement utilisateur (UE) complémentaires dont les fonctionnalités et qui sont comparées dans la Figure I. 5 par rapport à d’anciennes versions [8].
LTE IoT Cat-M1, défini par eMTC, présente la gamme la plus large de capacités IoT [12] et fournit des débits de données jusqu’à 1 Mbps, tout en utilisant uniquement la bande passante de l’appareil de 1,4 MHz dans les spectres LTE FDD /TDD existants. Il est conçu pour coexister pleinement avec le trafic LTE régulier. La Cat-M1 peut également prendre en charge la voix (VoLTE).
LTE IoT Cat-NB1, défini par NB-IoT, réduit encore la complexité de l’appareil et étend la couverture pour répondre aux besoins des capteurs de bases les plus simples. La Cat-NB1 exploite les opérations à bande étroite, en utilisant une bande passante de 200 kHz dans le spectre LTE FDD, pour fournir des débits de 10 kbps. NB-IoT prend en charge les options de déploiement plus flexibles. Contrairement à la Cat-M1 dans la bande, la Cat-NB1 ne permet pas le réajustement ou le saut de fréquence et occupe un emplacement de spectre fixe.
L’innovation continue vise à réduire la complexité des terminaux. Les coûts des appareils doivent être suffisamment bas pour que la technologie puisse être intégrée dans un large éventail d’applications. Les définitions 3GPP permettent des économies de coûts immédiates. L’ensemble de fonctionnalités limitées permet la réduction du nombre des éléments intégrés, ce qui réduit la taille et la complexité du front end RF (RFFE) requise. Par exemple, les terminaux de catégorie M1 et NB1 ne nécessitent qu’un seul récepteur au lieu d’au moins deux requis par les appareils de catégorie supérieure. De plus Le 3GPP a également défini un nouveau schéma d’accès pour les bandes FDD appelé FDD semi-duplex (HD-FDD) où les données de transmission et de réception sont envoyées dans un canal partagé, mais dans des intervalles de temps différents. Cela élimine le besoin de duplexeurs coûteux, ce qui à son tour contribue à améliorer l’efficacité énergétique du terminal car les duplexeurs ont généralement des pertes d’insertion élevées.
Un autre exemple d’un frontal RF pour IoT de Skyworks [14] est présenté dans la Figure I. 7. Ce frontal Multi bandes (699-915 MHz et 1.71-1.98 GHz) est optimisée pour supporter l’NB-IoT. Il fait une taille de 4 mm x 5 mm x 0.85 mm tout en intégrant deux amplificateur deux puissances, un filtre passe bas (LPF) et un switch TX/RX SP6T pour l’antenne. La réduction importante de la taille du RFFE impliquera par la suite la réduction de la taille de l’antenne qui devient l’élément le plus volumineux dans les gammes de fréquences sub GHz.
Les solutions IoT dans les bandes non licenciées
LTE IoT utilise uniquement les bandes sous licence du spectre de fréquences LTE. En France, la partie inférieure des bandes LTE disponibles a été principalement rendue accessible au NB-IoT (ex, bande 800MHz, LTE FDD nº 20). Ces bandes basses fréquences offrent une meilleure propagation des ondes et une meilleure couverture pour les environnements extérieurs et intérieurs, tout en consommant moins de puissance. En parallèle, l’intérêt de développer des technologies dans les bandes de fréquence libres non licenciées, comme Bluetooth et Wi-Fi, jouera un rôle essentiel dans les technologies des objets connectées [12]. L’intérêt vient du fait que les bandes sous licence se concentrent davantage sur les services mobiles à large bande entraînés par la révolution des smartphones.
Les bandes de fréquence libres, communément appelées les bandes ISM, sont des parties du spectre radio réservées internationalement aux équipements industrielles, scientifiques et médicales (objectifs hors télécommunications). Des exemples d’applications pour l’utilisation de signaux radiofréquence dans ces bandes comprennent les appareils d’IRM (Imagerie par Résonance Magnétique) et le chauffage par micro-ondes [15].
L’utilisation des bandes ISM peut différer selon chaque pays. Les bandes ISM partagent les allocations avec les opérations sans licence et sous licence; cependant, en raison de la forte probabilité de brouillage préjudiciable, l’utilisation sous licence des bandes ISM est généralement peu pratiqué. Étant donné que les appareils de communication utilisent les bandes libres, elles doivent tolérer toute interférence d’autres équipement ISM.
Ces dernières années, l’utilisation des bandes ISM a connu une croissance très rapide pour les systèmes de communication sans fil à faible puissance et à faible portée. Une des avantages de ces bandes est que les appareils connectés peuvent être librement utilisés sans demande d’autorisation (sans licence). Les appareils Bluetooth, les appareils de communication en champ proche (NFC), et les réseaux informatiques sans fil (Wi-Fi) peuvent tous utiliser les fréquences ISM, même si ces émetteurs basse consommation ne soient pas considérés comme des appareils ISM. Le Tableau I. 3 indique les différentes bandes ISM principalement disponibles en France pour les applications de faibles puissances et faible portée [16].
Limites fondamentales des antennes miniatures
Par conséquent, pour toutes les études faites ci-dessous, nous utiliserons l’expression exacte (1. 5) où intervient l’efficacité de rayonnement, mais nous l’appellerons la limite de Chu.
Pour kr<<1, 1/(kr)3 >>1/kr, le facteur de qualité minimal donné par Chu (I. 1) se simplifie alors, , ℎ = (I. 7)
Techniques de miniaturisation
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I : Contexte et Motivation
Introduction
1. De la 4G LTE vers 5G et IoT
1.1 Standards cellulaires et connectivité sub-GHz
1.2 Application pour L’Internet des Objets
1.3 Synthèse
2 Problématique
2.1 Contrainte Physique
2.2 Les Antennes miniatures
2.3 Techniques de miniaturisation
2.4 Synthèse
3 Agilité fréquentielle
3.1 Définition
3.2 Critères de performances
3.3 Reconfigurabilité par ajout de composants agiles
3.4 Antenne agile via un circuit d’adaptation d’impédance reconfigurable
3.5 Synthèse
4 Etat de l’art sur la modélisation
Conclusion
Références du Chapitre I
Chapitre II : Étude et modélisation d’une antenne IFA filaire non chargée
Introduction
1 Paramètres décrivant les performances d’une antenne
1.1 Impédance d’entrée
1.2 Résistance de rayonnement
1.3 Efficacité de rayonnement
1.4 Distribution du courant sur la structure d’antenne
1.5 Bande passante et facteur de qualité
2 L’antenne F inversée
3 Modèle électrique de l’antenne
3.1 Modélisation de la capacité de l’extrémité ouverte
3.2 Modélisation de l’inductance de l’extrémité en court-circuit
3.3 Impédance d’entrée d’une IFA avec modélisation des non idéalités des extrémités CO et CC
3.4 Modélisation des effets de bout de lignes
3.5 Effet de couplage : introduction d’une inductance mutuelle
3.6 Les pertes de rayonnement
3.7 Domaine de validité de l’antenne
4 Modèle électromagnétique de l’antenne IFA
4.1 Les résistances de pertes ohmiques
4.2 La résistance de rayonnement
5 Réalisation et mesure des prototypes
5.1 Impédance d’entrée
5.2 Gain et efficacité
Conclusion
Références du Chapitre II
Chapitre III : Antenne IFA miniature chargée par un composant passif
Introduction
1 Miniaturisation par ajout de composants localisés
1.1 Modèles d’une antenne IFA chargée
1.2 Conversion Antenne filaire (conducteur cylindrique) / antenne planaire (conducteur de type ruban)
1.3 Réalisation de l’antenne IFA miniature
2 Miniaturisation par un réseau d’adaptation d’impédance
2.1 Performances de l’antenne sans et avec charge sur sa structure
2.2 Adaptation de l’antenne non chargée
3 Prototypage et mesures
3.1 Prototype L1
3.2 Prototype L2
3.3 Prototype L3
Conclusion
Références du Chapitre III
Chapitre IV : Conception d’une antenne miniature agile pour application IoT
Introduction
1 Etapes de conception de l’antenne agile
1.1 Caractéristiques/Géométrie de l’antenne sélectionnée
1.2 Le composant agile
1.3 Choix de la position du composant agile
2 Antenne IFA miniature agile intégrant une capacité variable (DTC)
2.1 Antenne Agile dans la bande 868 MHz – DTC en série
2.2 Antenne Agile dans la bande 868 MHz – DTC en bout
2.3 Conception d’antenne sur un plan de masse
2.4 Antenne agile NB IoT dans la bande LTE 800
Conclusion
Références du Chapitre IV
Conclusion Générale
Perspectives
Annexe A : Paramètres d’une ligne de transmission
Paramètres d’une ligne de transmission bifilaire
Références Annexe A
Annexe B : Inductance du fil de masse
Ligne de transmission terminée par un fil de masse
Références Annexe B
Annexe C : L’inductance mutuelle
1 Inductance mutuelle entre deux fils
2 Inductance mutuelle M entre deux inductances séparées par une ligne de transmission
Références Annexe C
Annexe D : Résistance de rayonnement de l’antenne F inversée
1 La distribution du courant
2 Le vecteur potentiel dans la zone de « champ lointain » du circuit rayonnant 192
3 Résistance de rayonnement de l’antenne F inversée
Références
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