Modélisation conjointe du canal de propagation et de l'antenne pour la communication sans fil à travers une interface à pertes

Contexte

La croissance récente de l'internet des objets (IdO) associée au développement de la nouvelle génération de réseaux de communication sans fil (au-delà de la 5G, locaux, corporels, souterrains, etc.) permet de déployer partout les appareils connectés. Le déploiement omniprésent des réseaux de capteurs est possible à condition de parvenir à une bonne efficacité énergétique du réseau. Un paramètre clé pour atteindre ces objectifs comprend une connaissance plus complète de la couche physique des réseaux de capteurs. Par conséquent, un modèle de prédiction fiable pour la propagation des ondes électromagnétiques dans les réseaux de capteurs sans fil (WSN), en particulier dans un scénario complexe, serait essentiel. Récemment, une grande attention a été portée aux réseaux de capteurs dans lesquels les antennes sont situées près du sol ou y sont enfouies. Dans la plupart des applications, le réseau de capteurs proche du sol ou souterrain est censé collecter des informations pour lesquelles la proximité de l'interface ou l'immersion du capteur dans le milieu à pertes est nécessaire. Différents exemples d'applications peuvent être mentionnés, tels que les réseaux de capteurs proches du sol pour la surveillance de l'environnement ou les réseaux de capteurs souterrains pour l'agriculture de précision ou la surveillance sous-marine.

Sujet de thèse

Dans une thèse précédente réalisée dans le laboratoire ESYCOM (Mauricio Cardoso 2014-2017), un modèle asymptotique de propagation près du sol a été développé. Ici, les deux dipôles hertziens sont considérés comme électriques et verticaux et positionnés près d'une interface avec pertes. Dans une thèse de doctorat en cours (Hocine Belaid 2021-2025), un modèle asymptotique unifié a été développé pour une liaison qui peut invariablement avoir lieu à proximité ou dans le milieu à pertes. Le développement asymptotique est actuellement réalisé avec des dipôles électriques verticaux et la source et le point d'observation sont dans le même milieu. Ces deux études nous fournissent des informations intéressantes sur l'excitation de l'onde de surface de Norton [1], [2] et de l'onde latérale [3]. Les approximations fournissent des expressions faciles à utiliser dont la précision dépasse dans certains cas celle de l'état de l'art.

Le point manquant dans le développement actuel est la communication à travers l'interface avec pertes, qui est évidemment essentielle pour la collecte finale des données. Théoriquement, les développements asymptotiques devraient impliquer le dipôle et le point d'observation dans des milieux opposés [4] et l'onde de surface de Norton ainsi que l'onde latérale peuvent jouer un rôle. D'autre part, le dipôle hertzien de type électrique n'est pas le meilleur candidat pour une antenne enterrée dans un milieu à pertes. Les propriétés de rayonnement d'un dipôle magnétique vertical ou horizontal seraient intéressantes [5], [6]. Enfin, dans le cas d'une liaison souterraine, l'onde électromagnétique souffre largement de l'atténuation dans le milieu à pertes qui, malgré l'apparition de l'onde latérale, pourrait devenir le principal point bloquant pour les grandes distances et les hautes fréquences. Récemment, la communication par induction magnétique (MI) a été considérée comme une alternative intéressante [7], [8].

Sur la base de notre expérience et de l'état de l'art, les objectifs de cette proposition de doctorat sont les suivants :
- Étudier le lien de communication à travers l'interface en utilisant des dipôles électriques et magnétiques.
- Développer des expressions asymptotiques dans le domaine quasi-statique en champ proche afin de pouvoir explorer l'induction magnétique à travers l'interface avec une bonne précision.
- Sur la base des aspects théoriques, explorer rigoureusement les scénarios d'application tels que "ground coating" ou "ground sensing".

Plan de travail

Le travail sera divisé en deux parties : expérimentale et théorique. La première partie vise à compléter et approfondir l'application des modèles théoriques développés dans les deux thèses de doctorat précédentes au sein du Laboratoire ESYCOM ainsi qu'à valider les avancées théoriques réalisées dans ces thèses. La seconde partie concerne le développement d'un nouveau modèle théorique dédié à la communication à travers une interface à pertes, incluant l'excitation magnétique. Les deux parties peuvent se dérouler en parallèle.

Partie expérimentale :
- Explorer la possibilité d'utiliser un revêtement spécial du sol pour améliorer l'affaiblissement du trajet près du sol et utiliser les mesures près du sol pour "ground sensing".
- Étendre le dispositif existant pour la liaison de communication proche du sol au cas où une ou les deux antennes se trouvent dans le milieu à pertes.

Partie théorique :
- Établir un modèle théorique pour la propagation des ondes à travers une interface à pertes entre un capteur en surface et un capteur enterré.
- Étendre le modèle d'un dipôle électrique vertical à un dipôle magnétique vertical/horizontal.
- Développer une approximation pratique pour le cas quasi-statique du champ proche (induction magnétique).

Références

1. Cardoso, M. H. B., Mostarshedi, S., Baudoin, G., & Laheurte, J. M. (2018). Analytical expressions of critical distances for near-ground propagation. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 66(5), 2482-2493.
2. Belaid, H. A., Mostarshedi, S., Poussot, B., & Laheurte, J. M. (2022). On the Validity of the Asymptotic Near-Ground Propagation Model of Hertzian Dipole for Finite-Length Dipole Antennas. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 21(12), 2357-2361.
3. Belaid, H., Mostarshedi, S., Poussot, B., & Laheurte, J. M. (2024). Accurate Estimation of the Lateral Wave’s Contribution to the Radiated Fields of a Vertical Electric Dipole Embedded in a Lossy Half-Space. IEEE Transactions on Antennas and Propagation.
4. King, R. W. (1982). New formulas for the electromagnetic field of a vertical electric dipole in a dielectric or conducting half‐space near its horizontal interface. Journal of Applied Physics, 53(12), 8476-8482.
5. Xu, H., Gu, T., Zhu, Y., Wei, X., Li, L., & Yin, H. (2020). Communication with a magnetic dipole: Near-field propagation from air to undersea. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 69(2), 1052-1064.
6. Xu, H., Zhu, Y., Wei, X., Li, L., Hong-Chen, Y., & Gu, T. (2020). Analytical formulas for wave propagation at low frequencies in half-spaces due to a horizontal magnetic dipole. IEEE Access, 8, 214166-214176.
7. Guo, H., & Ofori, A. A. (2020). Joint channel and antenna modeling for magnetic induction communication in inhomogeneous media. IEEE Open Journal of the Communications Society, 1, 1457-1469.
8. Li, Y., Wang, S., Jin, C., Zhang, Y., & Jiang, T. (2019). A survey of underwater magnetic induction communications: Fundamental issues, recent advances, and challenges. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 21(3), 2466-2487.

Le Laboratoire ESYCOM, en cotutelle avec l’Université Gustave Eiffel, le CNRS et le Conservatoire National des Arts et Métiers s’inscrit dans les domaines de l’ingénierie des systèmes de communication, des capteurs et des microsystèmes.

ESYCOM porte le projet de laboratoire « Capteurs et systèmes communicants pour la ville, l’environnement et la personne » autour de trois thèmes fédérateurs :

- systèmes de communication,

- micro-capteurs,

- micro-énergie,

incluant les procédés technologiques, la modélisation et la caractérisation. Les sujets prioritaires sont actuellement autour des antennes et de la propagation en milieux complexes, des microsystèmes d’analyse de l’environnement, des capteurs pour la santé, des interfaces avec le vivant, de la récupération d’énergie ambiante, du développement et de la modélisation de composants et technologies photonique-microondes pour solutions intégrées bas coût.

• Solides connaissances en électromagnétisme et en mathématiques appliquées
• Très grande rigueur scientifique et forte abstraction théorique
• Intérêt pour l'expérimentation
• Autonomie dans la programmation