Ultra Wide Band Ad-Hoc Sensor Networks: A Multi-Layer Analysis
Réseaux de capteurs ad-hoc Ultra Wide Band : une analyse multi couche
Résumé
Ultra Wide Band (UWB) systems represent a promising approach allowing the development of new types of wireless Local Area Networks and Sensor Networks. For twenty years, UWB has been an active field of research and it could be the physical layer for future multiple access wireless networks with very high bit rates, as well as low bit rate low power consumption networks with high accuracy positioning abilities. We address in this thesis the issues related to UWB ad-hoc sensor networks from the physical layer towards the upper layers: antenna optimization issues, interference modelling, IR-UWB Advanced Receivers and Transmitters with efficient wireless communication, throughput optimization, and cooperation issues. A first contribution deals with the IR-UWB non-Gaussianity of the MUI distribution. We have developed a performance criterion that takes into account the system's parameters and the MUI distribution in order to compute the capacity of the communication and its throughput. We have also shown that throughput can be maximized by controlling the impulsiveness of the interference, and we have presented the impact of antenna design (and pulse shape) on the impulsiveness and so on the capacity of an IR-UWB system. Taking into account the study on the MUI, another contribution is concerned with novel IR-UWB receivers and transmitters. The proposed receiver assumes that the Probability Density Function (PDF) describing the statistic of the interference is a mixture-based distribution. We have also investigated a novel transmitter design based on Time Reversal (TR), and we have studied the gain brought by time reversal when the complexity is switched from the receiver to the transmitter i.e., when the number of fingers is increased in the prefilter while it is reduced in the Rake receiver. Moreover, we showed that TR combined with Rake technique changes the PDF of the MUI. The work has further focused on the cooperation for wireless networks. A first study proposes an incremental relaying scheme that uses multiple relays, but we have also investigated a practical incremental relaying scheme that deals with the imperfect feedback, and finally a simple distributed relay selection policy without any need of information exchange between the relays.
Les systèmes Ultra Wide Band (UWB) représentent une solution prometteuse pour le développement de nouveaux types de réseaux locaux sans-fils. L'UWB a été un domaine de recherche actif depuis 20 ans et pourrait être la couche physique pour de futurs réseaux sans fils à accès multiples à très haut débit ainsi qu'à bas débit avec consommation énergétique minimale, tout en offrant des possibilités de localisation à haute précision. Nous nous intéressons dans cette thèse aux réseaux ad-hoc de capteurs UWB en partant de la couche physique pour remonter aux couches plus élevées : optimisation d'antenne, modélisation d'interférence, conception de récepteurs et transmetteurs, optimisation de débit et schémas coopératifs. Une première contribution concerne la non Gaussianité des interférences multi utilisateurs : nous avons développé un critère de performance qui prend en compte les paramètres du système et la distribution des MUI afin de calculer la capacité des communications et le débit utile. Nous avons montré que le débit peut être maximisé en contrôlant l'impulsivité des interférences et nous avons montré l'impact de la conception de l'antenne sur cette impulsivité et par conséquent sur la capacité des systèmes UWB. A partir de l'étude des MUI, une autre contribution concerne de nouveaux récepteurs et émetteurs IR-UWB. Le récepteur proposé modélise la densité de probabilité des interférences comme une distribution mélangée. Nous avons également étudié un nouvel émetteur basé sur le retournement temporel combiné à l'IR UWB et étudié le gain apporté par le retournement temporel lorsque la complexité est assumée par le transmetteur à la place du récepteur, i.e. quand le nombre de doigts du pre-filtre est augmenté et quand le nombre de doigts du récepteur à râteau est diminué. Nous avons également montré que le time réversal combiné à l'IR UWB change la distribution des interférences. Les recherches ont ensuite porté sur des schémas coopératifs. Nous avons proposé dans une première étude un schéma de relayage incrémental qui utilise plusieurs relais mais avec un retour imparfait et proposé finalement une règle simple de sélection distribuée des relais.
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