Le jour n'est peut-être pas très loin où une mine pourra compter sur un système de communication sans fil pour échanger des données, transmettre des informations ou localiser des travailleurs dans le cas d'une activité normale ou en cas d'urgence. Au point de vue de la sécurité, un système de communications sans fil aurait l'avantage de localiser en temps réel un travailleur ou un engin. Les travailleurs se déplacent sans cesse dans une mine. Avec une technologie sans fil permanente, on pourrait localiser les personnes de manière relativement précise. Même en cas d'éboulement, avec une technologie adaptée, il serait possible de savoir où se trouve la personne en détresse. Notre travail de recherche s'inscrit dans la perspective du développement d'un réseau de capteurs ultra large bande (UWB) pour deux applications : l'aide à la radiolocalisation et l'extension du réseau de capteurs sans fil dans la mine. Cette étude est focalisée sur trois aspects. La première partie de notre étude consiste à étudier tous les problèmes reliés à la radiolocalisation dans la mine. Vue l'importance de cette application, nous avons mis en oeuvre un réseau de capteurs en tenant compte d'un futur déploiement dans la mine. La technologie utilisée repose sur la technologie ultra large bande. Comme il n'existe pas de travaux qui traitent ce genre de problèmes, nous avons commencé notre étude par une caractérisation du canal UWB dans les mines souterraines. Pour atteindre ces objectifs, plusieurs campagnes de mesure sur site (mine expérimentale) ont été menées. Nous sommes parvenus à une modélisation du canal de propagation et à avancer des recommandations pour aider au dimensionnement d'un réseau de capteurs dans ce type d'environnement. Dans la première partie, le but est d'étudier le problème de radiolocalisation avec les réseaux de capteurs. Notre scénario proposé serait de placer des capteurs sur chaque agent (mineur, engin). On suppose que chaque noeud (agent) qui circule à travers un réseau d'ancre maillé (déjà déployé), va extraire des informations de distance (en utilisant le critère de temps d'arrivée), ensuite il va utiliser un algorithme de positionnement distribué afin de déterminer sa propre position. Lors de cette partie nous avons aussi étudié quelques estimateurs cohérents et non-cohérents du temps d'arrivée. La caractérisation de l'erreur de mesure utilisant le temps d'arrivée dans un environnement minier a été aussi évaluée. Enfin, dans la dernière partie, nous avons analysé par simulations un déploiement d'un réseau de capteurs UWB ad hoc dans la mine. Nous avons choisi d'adopter une approche théorique afin d'évaluer les performances de cette configuration. Une conception intercouche pour un routage optimal a été étudiée. Nous avons utilisé la couche physique/réseau afin de minimiser l'énergie consommée lors de l'acheminement du données.

Le niveau croissant d’automatisation des exploitations minières souterraines vise à en accroitre l’efficacité et s’appuiera sur la venue d’une myriade de dispositifs électroniques au sein des corridors souterrains. Dans d’autre environnements confinés, par exemple les opérations militaires dans les cavernes, ces dispositifs peuvent engendrer un avantage tactique fort important aux utilisateurs. Notre travail de recherche s’inscrit dans la perspective du développement d’un système de communications à haut débit binaire pour les applications comme la surveillance et le transfert de donnée vidéo en temps réel dans la mine. Cette étude est focalisée sur la performance du système de communications sans fil à ondes millimétriques dans une mine souterraine. La première contribution de notre étude consiste à étudier tous les problèmes reliés au déploiement de ce système dans la mine. Comme il n’existe pas de travaux qui traitent ce genre de sujet, nous avons commencé notre étude par une caractérisation du canal à ondes millimétriques dans la mine CANMET à Val-d’Or située à 500 km au nord de Montréal, Canada. Nous avons mis en oeuvre un montage expérimental de mesures basé sur un robot Velmex. Les mesures ont été effectuées dans la plage fréquentielle du standard IEEE802.15.3c, soit 57.24-59.4 GHz. Nous sommes parvenus à une caractérisation du canal de propagation à ondes millimétriques dans deux galeries de la mine, au niveau 40 et au niveau 70 m et selon plusieurs combinaisons d’antenne, directive-directive, directive-omni et omnidirective et pour deux polarisations, soit verticale-verticale et horizontale-horizontale. Dans le but de comparer les résultats, le même montage est utilisé pour effectuer des mesures dans un milieu interne, soit le laboratoire CANMET. La deuxième contribution de notre étude consiste à calculer la capacité du canal selon les scénarios des mesures. La formule classique de la capacité de Shannon est obtenue pour les canaux ayant des réponses fréquentielles plates. Cette formule ne s’applique pas directement dans notre cas à cause de la sélectivité de la réponse en fréquence du canal. Nous avons divisé la bande de fréquences en un nombre très grand de petites bandes, considérées comme des sous-canaux à réponse plate dans le domaine fréquentiel. Ensuite, nous avons distribué la puissance d’une manière optimale sur les sous-canaux plats. Les résultats obtenus sont comparés aussi avec les résultats obtenus si une distribution uniforme est adoptée à l’émission. Les résultats prouvent la pertinence de la méthode optimale dans ces type des canaux ; cette méthode donne une amélioration importante de la capacité lorsque le SNR est faible. Les deux méthodes donnent les mêmes résultats lorsque le SNR est grand. La troisième contribution de notre étude vise à utiliser les paramètres obtenus de la compagne de mesures, comme la bande de cohérence et l’étalement maximal du canal pour les différents scénarios, pour calculer les paramètres du système OFDM à ondes millimétriques. Dans le but de rendre notre travail plus pertinent, nous avons calculé la limite de Shannon en posant le débit binaire du système OFDM égal à la capacité optimale ou à la capacité uniforme du canal. Plusieurs simulations ont été faites en fonction de la distance, de la longueur du préfixe cyclique et du nombre de sous-porteuses. Nous avons utilisé un code LDPC avec un taux égal à 0.75 pour améliorer le taux d’erreur binaire et aussi s’approcher de la limite de Shannon. Les résultats obtenus montre que les systèmes OFDM avec une combinaison d’antennes directive-directive et une polarisation verticale-verticale ont une meilleure performance aux niveaux 40 m et 70 m et dans le laboratoire CANMET. / The increasing level of automation in underground mining operations in order to improve their efficiency will bring a myriad of electronic devices into the mine shafts. In other confined environment situations, e.g. military operations in caverns, electronic devices can yield a significant tactical advantage. Our research is in the perspective of developing a system of high bit rate communications for applications that require high throughput such as monitoring and transfer of video data in real time in the mine. This thesis is focused on the study of the performance of a wireless communications system in the millimeter wave range in an underground mine. The contribution part of the study is to examine all issues related to the deployment of this system in the mine. As there is no work dealing with this kind of topic, we started our research by a characterization of the millimeter-wave channel in the CANMET mine in Val-d’Or, located 500 km north of Montreal, Canada. We implemented a breadboard measurement system based on a Velmex robot table. The measurements were performed in the frequency range of the standard IEEE802.15.3c or 57.24-59.4 GHz.We have obtained a characterization of the millimeter wave propagation channel in two galleries of the mine, at 40 and 70 m, according to several combinations of antennas, directive-directive, directive-omni and omni-directive and for both vertical-vertical and horizontal-horizontal polarizations. In order to compare the results, the same measuring setup was used to perform measurements in an internal environment in the CANMET laboratory. The second contribution of the thesis was to compute the channel capacity according to the measurement scenarios. The classical formula for the Shannon capacity is used for flat channels. This formula does not directly apply in this case because of the selectivity of the channel frequency response. Thus, we divided the whole frequency band into many sub-bands, in which the sub-channel can be considered frequency-flat. Then we distributed the power optimally on the flat sub-channels. The results were also compared with the results obtained if a uniform distribution was adopted. The results prove the relevance of the optimal method in these types of channels. This method gives a significant improvement of the capacity when the SNR is low. Both methods give the same results when the signal to noise ratio is high. The third contribution of this thesis focused on how to use the parameters obtained from the measurement campaign such as the coherence bandwidth and the maximum spread of the channel for the different scenarios, to calculate the parameters of the OFDM millimeter wave system. In order to make our work relevant, we calculated the Shannon limit by setting the bit rate of the OFDM system equal to the optimal capacity or to the uniform channel capacity. Many simulations were made based on the distance between the antennas, the cyclic prefix length and the number of sub-carriers. We used an LDPC code with a rate equal to 0.75 to improve the bit error rate and hence to approach the Shannon limit. The results show that the OFDM millimeter wave system with D-D combination and VV polarization has better performance at 40 m, 70 m and in the CANMET laboratory.

La plupart des études d'estimation de signal modulé par multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM) et parcourant un canal avec évanouissement impliquent un nombre constant de trajets multiples. Cependant, dans un milieu souterrain, le nombre de trajets significatifs varie selon une distribution spécifique. Nos travaux tentent de résoudre l'estimation d'un canal minier souterrain à large bande, où le nombre de trajets significatifs répond à une distribution de Poisson modifiée et dont les amplitudes sont affectées par des évanouissements de Rayleigh ou de Rice. L'estimation de canal pour un système OFDM s'effectue via un signal comprenant des fréquences pilotes distribuées en peigne. Les fréquences pilotes comprises dans le signal sont tout d'abord estimées par un détecteur de moyenne quadratique logarithmique ou par la méthode des moindres carrés. Par la suite, des méthodes d'interpolation du canal sont étudiées. Les performances de différentes approches, inspirées des modulations spécifiées par la norme IEEE802.11, sont analysées selon le taux d'erreur binaire (BER). / Most analytical studies of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) channel estimation for fading channels assume a constant number of multiple paths. However, in an underground environment, the number of significant multipath components can be variable and follow a specific distribution. This thesis addresses the problem of channel estimation based on a wideband statistical channel model in a mining environment, where the number of arrival paths follows a modified Poisson distribution and their amplitudes undergo Rayleigh or Rician fading. Channel estimations for OFDM Systems are based on a comb-type pilot arrangement, which is divided into pilot signal estimation and channel interpolation. The pilot signal estimation based on Least Mean Square (LMS) or Least Square (LS) criteria, together with a variety of interpolation schemes, is studied. Performances for ail conditions are presented and compared by measuring the Bit Error rate (BER) with different modulation schemes derived from the IEEE802.il WLAN standard.