Proposition de thèse dans le domaine des communications radio

Proposition de thèse dans le domaine des
communications radio
Date 14/04/2015
Titre
Vers l’augmentation du nombre d’antennes pour la sécurité des communications HF
et VHF
MATACOM (Multi-Antenna for TActical COMmunications)
Mots clés
MIMO, sécurité de la couche physique des réseaux sans fil, propagation
électromagnétique, caractérisation et modélisation de canal radiofréquence,
expérimentations
Résumé du projet
Ce projet se situe dans le contexte de la sécurisation de la couche physique des
transmissions sans fil. Des études théoriques réalisées récemment montrent qu’une
augmentation du nombre d’antennes associée à des algorithmes MIMO (multiantennes à l’émetteur et au récepteur) permettent de répondre conjointement au
challenge de qualité de service et à celui de sécurité de la transmission. Grâce à la
connaissance du canal de propagation de la communication sécurisée et de celui du
canal d’écoute, il est possible de réaliser un précodage MIMO des signaux qui
transmettent les données à sécuriser afin de minimiser la capacité du canal d’écoute
et ainsi rendre la communication furtive.
Dans cette thèse, nous souhaitons étudier l’impact de l’augmentation du nombre
d’antennes à l’émetteur et au récepteur sur les communications tactiques en HFVHF-UHF, en termes de débit de communication et de sécurisation de la
transmission. Pour cela, nous souhaitons développer un simulateur de transmission
basé sur des algorithmes de communication MIMO adaptés au canal considéré pour
une transmission en onde sol puis de tester ce(s) algorithme(s) en grandeur réelle à
l’aide d’un démonstrateur.
Présentation détaillée
1-Contexte scientifique et socio-économique du projet :
Dans ce projet de thèse, nous nous intéressons aux communications sans fil multiantennes point à point dans les gammes de fréquences HF (3 MHz-30 MHz), VHF
(30 MHz-300MHz) et UHF (300 Mhz-3GHz) pour des applications de
communications tactiques militaires ou civiles. Pour ce type d’applications les
challenges à relever sont de deux natures.
Tout d’abord, il s’agit d’améliorer la qualité de service de ces communications.
Actuellement, la norme militaire STANAG 5066/G propose des débits allant jusqu’à
9.6 kbps dans une bande de 3 kHz, ce qui est relativement faible au regard des
débits proposés par les normes de communications mobiles grand public (e.g.
jusqu’à 2 Mbps pour la norme 4G-LTE).
Le deuxième challenge consiste à sécuriser les communications tactiques au
niveau de la couche physique des systèmes. En effet, le medium de propagation
hertzien possède la caractéristique de diffuser l’information indistinctement dans la
zone de couverture du système. Cette caractéristique, fondement des systèmes de
Copie :
PJ :
communications mobiles actuels, peut également conduire à de la perte
d’informations sensibles si un récepteur non coopératif intercepte le signal. Si l’on
se place dans le camp opposé, la connaissance des mécanismes de sécurisation de
la transmission doit également permettre de pouvoir placer le récepteur non
coopératif dans les meilleures conditions d’interception.
La technologie multi-antennes MIMO est capable de répondre à ces deux challenges
conjointement, d’autant plus efficacement que le nombre d’antennes à l’émetteur et
au récepteur augmente.
Dans la bande HF, des études précédentes ont montré l’intérêt du concept MIMO
pour des transmissions ionosphériques [1-2]. Cependant, la mise en œuvre choisie
faisait appel à l’aide de diversité de polarisation d’antennes afin de conserver des
antennes colocalisées. En effet, à ces fréquences, la longueur d’onde est comprise
entre 100 m et 10 m et l’exploitation de la diversité spatiale nécessite un
espacement entre antennes supérieur à la longueur d’onde. Cela induit donc une
surface de déploiement des antennes à l’émetteur et au récepteur très importante,
sachant que lorsque l’espacement est insuffisant, la capacité du système MIMO est
fortement dégradée du fait de l’inter-corrélation trop importante entre les différents
liens de la transmission MIMO.
Ces études n’ont cependant pas tenu compte de la possibilité d’adapter le système
MIMO côté l’émetteur aux conditions de propagation, et en particulier au niveau de
corrélation entre antennes. Ces techniques placées dans la catégorie précodage
linéaire en bande de base permettent de modifier le signal émis à partir de la
connaissance du canal de propagation à l’émetteur. Cette connaissance peut
prendre différentes formes, de la connaissance statistique des conditions de
propagation jusqu’à leurs connaissances exactes et instantanées, difficiles à obtenir
en conditions réelles. Grâce à cette connaissance, les performances MIMO
obtenues sont améliorées comparativement à un système SISO, même en condition
de corrélation forte entre les liens [3-4].
Contrairement aux études précédemment citées, nous souhaitons, de plus, nous
positionner sur des transmissions à onde de sol, pour lesquelles les bandes de
fréquences sont plus hautes dans le spectre, typiquement en haut de la bande HF
jusqu’à la bande UHF. Dans ces gammes de fréquences, la compacité des
antennes, associée à une diminution notable de l’inter-corrélation entre les liens du
système autorise un déploiement d’antennes multiples espacées de quelques
mètres. Dans le contexte d’applications de communications en secours d’urgence,
quelques études du canal MIMO à 300 MHz sont disponibles [5-6].
Le problème de la sécurisation de la couche physique des systèmes de
communication sans fil n’est pas récent et l’on trouve de nombreux travaux qui
traitent des aspects théoriques de ce problème, en particulier l’étude de la capacité
de secret (secrecy capacity) en fonction des différentes caractéristiques de la
transmission. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’utilisation des antennes
multiples pour améliorer la sécurisation de la transmission [7-8]. Grâce à la
connaissance du canal de propagation de la communication sécurisée et de celui du
canal d’écoute, il est possible de réaliser un précodage des signaux qui transmettent
les données à sécuriser afin de minimiser la capacité du canal d’écoute et ainsi
rendre la communication furtive. Cette furtivité peut être atteinte si l’émetteur a une
connaissance parfaite du canal d’écoute, ce qui est, en règle générale, une
hypothèse irréaliste. L’impact d’une connaissance plus limitée du canal a également
été étudié [8].
2-Hypothèse et questions posées, identification des points de blocages scientifiques que le
travail de thèse se propose de lever :
Les études théoriques réalisées récemment montrent qu’une augmentation du
nombre d’antennes associée à des algorithmes MIMO de type précodage permettent
de répondre à la fois au challenge de qualité de service et à celui de sécurité [9].
Dans cette thèse, nous souhaitons étudier l’impact de l’augmentation du nombre
d’antennes à l’émetteur et au récepteur sur les communications tactiques en HFVHF-UHF, en termes de débit de communication et de sécurisation de la
transmission. Les méthodes mises en œuvre permettront de prendre en compte les
réalités du terrain, et ainsi de proposer des techniques de transmission réalistes. Les
contraintes à prendre en compte sont : la topologie du terrain, l’espacement entre
antennes, la qualité de la connaissance du canal de la communication à sécuriser,
les prédictions possibles pour le canal d’écoute non coopératif. Il s’agit également
d’évaluer les limites de tels systèmes en termes de sécurité, ainsi que leur
complémentarité vis-à-vis d’autres dispositifs de type brouillage ou chiffrement,
pouvant être situés à d’autres couches de la transmission.
3-Approche méthodologique et technique envisagée :
Dans cette thèse, il s’agit de proposer des algorithmes de communication MIMO
adaptés au canal HF-VHF-UHF pour une transmission en onde sol puis de tester
ce(s) algorithme(s) en grandeur réelle à l’aide d’un démonstrateur. Ces algorithmes
doivent permettre d’améliorer le débit de communication utile tout en minimisant les
possibilités d’interception de la transmission.
Pour atteindre ces objectifs, différentes étapes sont nécessaires
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Mesure et caractérisation du canal de propagation en environnement réel,
o Cartographie de l’environnement de propagation pour des scénarios
définis
o Etude de la corrélation
o Etude de la capacité
Modélisation du canal de propagation et développement de l’émulateur de canal
logiciel, à partir des mesures et/ou de l’état de l’art
Simulation logicielle d’une chaîne de communication MIMO point-à-point,
mettant en œuvre des techniques de précodage linéaire en bande de base et/ou
analogique
o Impact de l’espacement entre antennes
o Prise en compte du codage de canal
o Impact de la connaissance statistique du canal versus connaissance «
instantanée » quantifiée pour une voie de retour à débit limité.
Expérimentation en grandeur réelle à l’aide d’un démonstrateur.
4-Profil du candidat (compétences scientifiques et techniques requises) :
Le candidat sera titulaire d’un diplôme d’ingénieur ou M2 (ou équivalent) en
télécommunications, et plus spécifiquement avec des compétences en théorie de
l’information, communications numériques, et modélisation du canal de propagation.
La thèse sera co-encadrée par Charlotte Langlais (maître de conférences à
Télécom Bretagne), Jérôme Le Masson (maître de conférences aux Ecoles de SaintCyr Coëtquidan), Yvon Leroux (directeur d’études à Télécom Bretagne), sous la
direction de Michel Jézéquel (Professeur à Télécom Bretagne).
Elle se déroulera principalement sur le site brestois de Télécom Bretagne et
démarrera en octobre 2015.
Contact
Le dossier de candidature comportera les éléments suivants :
1) CV,
2) Lettre de motivation,
3) Relevés de notes des études supérieures et indication du type de baccalauréat
obtenu et de la mention le cas échéant,
4) au moins une lettre de recommandation d’un maître de stage, ou d’un supérieur
hiérarchique dans le cas d’une expérience professionnelle.
5) Avis de poursuite en thèse dans le cas d’un M2 recherche.
Tout dossier non complet ne sera pas examiné.
Charlotte Langlais, charlotte.langlais AT telecom-bretagne.eu
Téléphone: +33 (0)229001534
Site web : http://departements.telecom-bretagne.eu/elec/
Page perso : http://perso.telecom-bretagne.eu/charlottelanglais/
Références bibliographiques
[1] P. M. Ndao, Y. Erhel, D. Lemur, M. Oger, et J. L. Masson, « Development and
test of a trans-horizon communication system based on a MIMO architecture »,
EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, vol. 2013, no 1, p.
167, juin 2013.
[2] P.-M. Ndao, Y. Erhel, D. Lemur, et J. Le Masson, « Design of a high-frequency
(3–30 MHz) multiple-input multiple-output system resorting to polarisation diversity »,
IET microwaves, antennas & propagation, vol. 5, no 11, p. 1310–1318, 2011.
[3] J.-M. Kwadjane, B. Vrigneau, Y. Cocheril, C. Langlais, et M. Berbineau, « Limited
feedback precoding performance analysis for train-to-wayside communications in
subway tunnels », in Communications Workshops (ICC), 2013 IEEE International
Conference on, 2013, p. 500–504.
[4] J.-M. Kwadjane, B. Vrigneau, C. Langlais, Y. Cocheril, et M. Berbineau,
« Performance evaluation of max-d min precoding in impulsive noise for train-towayside communications in subway tunnels », EURASIP Journal on Wireless
Communications and Networking, vol. 2014, no 1, p. 83, mai 2014.
[5] G. Eriksson, F. Tufvesson, et A. F. Molisch, « Propagation Channel
Characteristics for Peer-to-Peer Multiple Antenna Systems at 300 MHz », in IEEE
Global Telecommunications Conference, 2006. GLOBECOM ’06, 2006.
[6] G. Eriksson, S. Linder, K. Wiklundh, P. D. Holm, P. Johansson, F. Tufvesson, et
A. F. Molisch, « Urban peer-to-peer MIMO channel measurements and analysis at
300 MHz », in IEEE Military Communications Conference, 2008. MILCOM 2008,
2008.
[7] A. Khisti et G. W. Wornell, « Secure Transmission With Multiple Antennas I: The
MISOME Wiretap Channel », IEEE Transactions on Information Theory, vol. 56, nᵒ 7,
p. 3088-3104, juill. 2010.
[8] S. Bashar, Z. Ding, et G. Y. Li, « On Secrecy of Codebook-Based Transmission
Beamforming under Receiver Limited Feedback », IEEE Transactions on Wireless
Communications, vol. 10, no 4, p. 1212-1223, avr. 2011.
[9] X. Chen, C. Yuen, et Z. Zhang, « Exploiting Large-Scale MIMO Techniques for
Physical Layer Security with Imperfect Channel State Information », présenté à
Globecom, 2014.