Des techniques fiables de radiolocalisation s’avèrent indispensables au développement d’un grand nombre de nouveaux systèmes pertinents. Les techniques de localisation basées sur les réseaux de communication sans-fil (WNs) sont particulièrement adéquates aux espaces confinés et fortement urbanisés. Le présent projet de recherche s’intéresse aux systèmes de localisation en temps réel (RTLS) basés sur les technologies de communication sans-fil existantes. Deux nouvelles techniques de radiolocalisation alternatives sont proposées pour améliorer la précision de positionnement des nœuds sans-fil mobiles par rapport aux méthodes conventionnelles basées sur la puissance des signaux reçus (RSS). La première méthode de type géométrique propose une nouvelle métrique de compensation entre les puissances de signaux reçus par rapport à des paires de stations réceptrices fixes. L’avantage de cette technique est de réduire l’effet des variations du milieu de propagation et des puissances d’émission des signaux sur la précision de localisation. La même métrique est sélectionnée pour former les signatures utilisées pour créer la carte radio de l’environnement de localisation durant la phase hors-ligne dans la deuxième méthode de type analyse de situation. Durant la phase de localisation en temps réel, la technique d’acquisition comprimée (CS) est appliquée pour retrouver les positions des nœuds mobiles à partir d’un nombre réduit d’échantillons de signaux reçus en les comparant à la carte radio préétablie. Le calcul d’algèbre multilinéaire proposé dans ce travail permet l’utilisation de ce type de métrique ternaire, équivalemment la différence des temps d’arrivée (TDOA), pour calculer les positions des cibles selon la technique de CS. Les deux méthodes sont ensuite validées par des simulations et des expérimentations effectuées dans des environnements à deux et à trois dimensions. Les expériences ont été menées dans un bâtiment multi-étages (MFB) en utilisant l’infrastructure sans-fil existante pour retrouver conjointement la position et l’étage des cibles en utilisant les techniques proposées. Un exemple emblématique de l’application des RTLS dans les zones urbaines est celui des systèmes de transport intelligents (ITS) pour améliorer la sécurité routière. Ce projet s’intéresse également à la performance d’une application de sécurité des piétons au niveau des intersections routières. L’accomplissement d’un tel système repose sur l’échange fiable, sous des contraintes temporelles sévères, des données de positionnement géographique entre nœuds mobiles pour se tenir mutuellement informés de leurs présences et positions afin de prévenir les risques de collision. Ce projet mène une étude comparative entre deux architectures d’un système ITS permettant la communication entre piétons et véhicules, directement et via une unité de l’infrastructure, conformément aux standards de communication dans les réseaux ad hoc véhiculaires (VANETs).

En autorisant de nouveaux services centrés sur l'utilisateur (navigation indoor contextuelle, surveillance/inventaire de biens personnels, etc.), les nouvelles fonctions de radiolocalisation sont en passe de modifier en profondeur les usages liés à la mobilité. Dans ce contexte, la technologie radio ultra large bande impulsionnelle (IR-UWB), qui permet en théorie d'apprécier le temps de vol des impulsions transmises à l'échelle de la nanoseconde et donc, la distance séparant l'émetteur du récepteur avec une précision de l'ordre de quelques dizaines de centimètres seulement, a été régulièrement mise en avant ces dix dernières années. En dépit de ces bonnes dispositions, l'obstruction des liens radio par le(s) corps ou les obstacles (murs, mobilier...) donne toutefois lieu à des erreurs significatives sur les distances mesurées, dégradant d'autant les performances de positionnement, en particulier en environnements fermés (ex. indoor). Dans le cadre de cette thèse, on se proposait d'exploiter une architecture intégrée de récepteur IR-UWB, permettant d'estimer la réponse du canal multi-trajets dans son ensemble, afin d'améliorer la fonction de localisation. Une étude détaillée de ce canal radio mobile, tel que perçu par le récepteur, a d'abord été menée, débouchant sur une interprétation déterministe (c'est-à-dire géométrique) de l'évolution temporelle relative des composantes multi-trajets, ainsi qu'à une modélisation de leur interférence mutuelle. En s'appuyant sur l'étude précédente, des algorithmes de détection, d'association et de suivi des impulsions reçues (ex. batterie de filtres de Kalman à hypothèses multiples) ont alors été proposés. Ces différentes propositions tirent profit des spécificités de l'architecture du récepteur, en visant d'une part, à exploiter la cohérence spatio-temporelle des composantes multi-trajets résolues en réception, et d'autre part, à minimiser l'effet néfaste de leurs collisions au sein de canaux mobiles particulièrement denses (ex. via une estimation de canal multi-bandes). Les solutions apportées permettent en particulier, pour chaque lien radio en situation de non-visibilité, de corriger le temps d'arrivée des trajets directs manquants à partir de trajets secondaires suivis, tout en autorisant l'utilisation d'une structure de filtre classique pour la poursuite du mobile (c'est-à-dire, alimenté par plusieurs liens radio ainsi "corrigés" vis-à-vis de différentes balises fixes). Ces développements algorithmiques ont d'abord été validés par le biais de simulations (à partir d'un outil semi-déterministe, incluant un modèle de récepteur complet), avant d'être appliqués à un jeu de données réelles, issues de dispositifs radio IR-UWB commercialisés par la société BeSpoon. / By making possible unprecedented user-centric services (monitoring/smart inventory of personal goods, context-aware indoor navigation, etc.), new radiolocation capabilities are on the verge of modifying in depth mobility-based usages. In this context, the impulse radio - ultra wideband technology (IR-UWB), which theoretically enables to estimate the arrival time of transmitted pulses at the nanosecond scale and hence, the relative distance between a transmitter and a receiver within a few tens of centimeters, has been regularly put forward for the last past decade. In spite of these good intrinsic properties, the obstruction of radio links, either by the carrying body itself or by surrounding obstacles (walls, pieces of furniture. . . ), can result in significant errors on unitary range measurements, degrading the overall positioning performance accordingly, in particular in confined environments (e.g., indoor). In the frame of this PhD work, the main idea was to rely on an integrated IR-UWB receiver architecture, which has the capability to finely estimate the entire multipath profile, in order to improve the localization functionality. An in-depth study of the mobile multipath channel, as perceived by the previous receiver, has been conducted first, leading to the deterministic interpretation (i.e., from a geometric point of view) of the relative temporal evolution of multipath components, as well as to the modelling of their mutual interference. Based on these preliminary investigations, adapted multipath detection, association and tracking algorithms have been proposed (e.g., multi-hypothesis Kalman filters in parallel). All these proposals benefit from the receiver specificities, aiming at capturing the space-time correlation of multipath components under mobility, while minimizing harmful interference effects in dense channels (e.g., by means of combined multi-band channel estimations). In particular, for each non-line-of-sight link independently, the previous solutions allow to correct the estimated arrival time of the missing direct path out of the tracked secondary paths, while enabling the use of a conventional structure for the mobile tracking filter (i.e., fed by several "corrected" links with respect to distinct base stations). These algorithmic developments were first validated by means of simulations (using a semideterminist tool including a complete model of the receiver), before being applied to a measurement data set issued by IR-UWB devices commercialized by the BeSpoon company.

Nombre d'applications récentes trouvent leur fondement dans une capacité présumée des systèmes de communication à délivrer des informations précises de localisation. Dans ce contexte, les propriétés intrinsèques de la technologie radio impulsionnelle Ultra-Large Bande (ULB) peuvent être mises à profit : résolution des trajets multiples, précision temporelle autorisant la mesure de temps de vol et la synchronisation fine des terminaux, etc. Les solutions ULB laissent par ailleurs présager l'émergence de réseaux d'un nouveau genre, tels que les réseaux ad hoc, mobiles, distribués et dépourvus d'infrastructure. Dans le cadre de l'élaboration du standard WPAN bas-débit IEEE 802.15.4a (jusqu'à 1Mbps), la possibilité de localiser des dispositifs ULB bas-coût et à faible consommation constitue un apport déterminant au regard des solutions existantes (e.g. Zigbee...). Les travaux présentés se proposent d'appréhender dans sa globalité la problématique de localisation ULB au sein des réseaux sans-fil. Quelques idées-forces sont alors mises en lumière, telles que la nécessité d'injecter une forme de connaissance a priori propre à la couche physique ULB dans le problème de localisation, la mise à profit de la diversité multi-trajets autorisée par la résolution ULB, ou bien encore l'exploitation des formes nouvelles adoptées par les réseaux (tant du point de vue du protocole que de la topologie). Dans un premier temps, nous caractérisons et modélisons les erreurs susceptibles d'affecter des métriques de base (temps ou différences de temps d'arrivée), qu'elles soient « indépendantes » de la couche physique (dérives d'horloge, modes d'échange, etc.) ou directement imputables au canal de propagation ULB (e.g. non-visibilité). Nous évaluons ensuite les performances de détection d'architectures de récepteurs ULB (e.g. échantillonnage direct sur 1 bit) pour des environnements indoor réalistes. Nous préconisons également différentes stratégies de positionnement (maximisation distribuée de la log-vraisemblance des distances mesurées, reconnaissance d'empreintes ULB, traitement déterministe des biais dans le cas de trajets réfractés, etc.) et de poursuite (techniques Bayésiennes avancées de filtrage), adaptées aux situations de non-visibilité. Enfin, quelques résultats d'expérimentations conduites dans la bande basse ([0.5:1]GHz) nous permettent d'illustrer certains des points abordés.