Modeling and simulation of radio signals in confined environments using a software defined radio
Modélisation et simulation de signaux radioélectriques dans des environnements confinés à l’aide d’une radio logicielle
Résumé
Tracking an end user or a connected object is a very important aspect in many fields such as transportation and navigation. The most known external navigation system is the Global Positioning System (GPS). The operation is based on the unidirectional transmission of a satellite signal located at an altitude of over 20,000 km. GPS provides accurate positioning results outdoors. However, GPS signal suffers from low availability in difficult environments, such as the indoor positioning area. Many IoT applications require tracking continuity in the indoor domain. To make this possible, it is necessary to build an indoor tracking system for emergency applications.Radio frequency engineering has attracted the attention of the research community in both scientific and industrial fields. Software Defined Radio (SDR) is a well known concept in the field of radio frequency tracking, bringing new possibilities, and allow us to study and investigate existing radio frequency technologies such as LoRa (Long-Range Low-Power). The objective of this thesis is to propose an indoor tracking solution that exploits the radio signals emitted from indoors in order to build a radio architecture composed of fixed elements (Anchor nodes) whose coordinates are known and mobile terminals whose coordinates are to determined.To achieve the objective, an approach was considered during this thesis: In a first step, a state of the art has been performed on the existing research works that study wireless technologies in the field of indoor tracking. These works present an overview of the most promising technological solutions and techniques for indoor tracking. In addition, this step involves a general study of Software Defined Radio technology, which consists of two parts, a software part that includes the GNU Radio and a hardware part that includes the USRP (Universal Software Radio Peripheral).The second step consists of designing and developing embedded software that organizes wireless radio communications between elements communicating with the LoRa wireless technology. The LoRa signals were processed and simulated using a SDR platform. Using the SDR allows for easy visualization and analysis of the LoRa signal profiles. Processing, demodulating, and decoding the LoRa signal were also part of my assignments. The demodulation and decoding process was performed using the gr-lora library integrated into GNU Radio, as well as a USRP-based SDR.In the third step, an AoA-based localisation system was proposed and implemented on a SDR platform. The proposed system measures the phase difference between the two antennas of an SDR in GNU Radio. The algorithm consists of detecting the presence of the LoRa signal in the channel, computing the phase of the signal for each antenna of the receiver, and measuring the AoA and the location coordinates of a moving transmitter using trigonometric functions. In addition, detecting and tracking a weak LoRa signal was implemented via dual antenna SDR. Due to its CSS (Chirp Spread Spectrum) modulation, LoRa can demodulate a signal down to -20 dB below the noise level. The objective of detecting signals below the noise level is as follows: First, it will increase the battery lifetime of the LoRa device. Secondly, it extends the communication distance between devices. Finally, it secures our communication and data exchange by preventing third party devices from gaining access our location coordinates.
Le suivi d'un utilisateur ou d'un objet connecté est un aspect très important dans de nombreux domaines tels que le transport et la navigation. Le système de navigation externe le plus connu est le système de positionnement global (GPS). Son fonctionnement est basé sur la transmission unidirectionnelle d'un signal satellite situé à une altitude de plus de 20 000 km. Le GPS fournit des résultats de positionnement précis en extérieur. Cependant, le signal GPS souffre d'une faible disponibilité dans les environnements difficiles, tels que la zone de positionnement intérieure. De nombreuses applications IoT nécessitent une continuité de suivi dans le domaine intérieur. Pour que cela soit possible, il est nécessaire de construire un système de suivi en intérieur pour les applications d'urgence.L'ingénierie des radiofréquences a attiré l'attention de la communauté des chercheurs dans les domaines scientifiques et industriels. La radio définie par logiciel (SDR) est un concept bien connu dans le domaine du suivi par radiofréquence, apportant de nouvelles possibilités, et nous permettant d'étudier et d'investiguer les technologies de radiofréquence existantes telles que LoRa (Long-Range Low-Power). L'objectif de cette thèse est de proposer une solution de tracking indoor qui exploite les signaux radio émis depuis l'intérieur des bâtiments afin de construire une architecture radio composée d'éléments fixes (nœuds d'ancrage) dont les coordonnées sont connues et de terminaux mobiles dont les coordonnées sont à déterminer.Pour atteindre cet objectif, une approche a été envisagée au cours de cette thèse : Dans un premier temps, un état de l'art a été réalisé sur les travaux de recherche existants qui étudient les technologies sans fil dans le domaine du tracking indoor. Ces travaux présentent une vue d'ensemble des solutions technologiques et des techniques les plus prometteuses pour le suivi en intérieur. En outre, cette étape comprend une étude générale de la technologie de la radio logicielle, qui se compose de deux parties, une partie logicielle qui comprend la radio GNU et une partie matérielle qui comprend l'USRP (Universal Software Radio Peripheral).La deuxième étape consiste à concevoir et à développer un logiciel embarqué qui organise les communications radio sans fil entre les éléments communiquant avec la technologie sans fil LoRa. Les signaux LoRa ont été traités et simulés à l'aide d'une plateforme SDR. L'utilisation de la SDR permet de visualiser et d'analyser facilement les profils des signaux LoRa. Le traitement, la démodulation et le décodage du signal LoRa faisaient également partie de mes tâches. Le processus de démodulation et de décodage a été réalisé à l'aide de la bibliothèque gr-lora intégrée à GNU Radio, ainsi que d'un SDR basé sur l'USRP.Dans la troisième étape, un système de localisation basé sur l'AoA a été proposé et mis en œuvre sur une plateforme SDR. Le système proposé mesure la différence de phase entre les deux antennes d'un SDR dans GNU Radio. L'algorithme consiste à détecter la présence du signal LoRa dans le canal, à calculer la phase du signal pour chaque antenne du récepteur, et à mesurer l'AoA et les coordonnées de localisation d'un émetteur mobile à l'aide de fonctions trigonométriques. En outre, la détection et le suivi d'un faible signal LoRa ont été mis en œuvre à l'aide d'une SDR à double antenne. Grâce à sa modulation CSS (Chirp Spread Spectrum), LoRa peut démoduler un signal jusqu'à -20 dB sous le niveau de bruit. L'objectif de la détection des signaux en dessous du niveau de bruit est le suivant : Premièrement, elle permet d'augmenter la durée de vie de la batterie du dispositif LoRa. Ensuite, elle permet d'étendre la distance de communication entre les dispositifs. Enfin, elle sécurise notre communication et l'échange de données en empêchant les dispositifs tiers d'accéder à nos coordonnées de localisation.
Mots clés
Measurement of Angle of Arrival (AoA)
RSSI. signal strength
LoRaWAN. Low Power Wireless Network
Optimization of communications
Simultaneous reception of signals with the same modulation parameters
SDR. software defined radio
Internet of things
Software defined radio
Indoor localization
Longe-Range
Low-Power
GNU Radio
Mesure d'angle d'arrivée
RSSI. atténuation de signal
LoRaWAN. Réseau sans fil de faible puissance
Optimisation des communications
Réception simultanée de signaux de modulation identique
SDR. radio logicielle
Internet des objets
Radio définie par logiciel
Localisation intérieure
Longue-portée
Faible puissanxe
GNU Radio
Origine : Version validée par le jury (STAR)