Cette thèse s'inscrit dans le projet de communication à proximité aux départements Electronique et Physique et Communications, Images et Traitement de l'Information de l'Institut Télécom Sud Paris. Le projet comporte la mise au point d'un récepteur basé sur une méthode de détection pseudo-cohérente des signaux Ultra Large Bande à double impulsion (TR-UWB), méthode désignée par Time Delayed Sampling and Correlation (TDSC). La première partie de ce document comporte la réalisation d'une plate-forme modulaire de communication UWB basée sur le système de détection TDSC. Cette plate-forme comporte une puce CMOS 0.35μm conçue précédemment au laboratoire EPH. Elle offre la possibilité d'enregistrer des signaux TR-UWB réels et de réaliser des tests de fonctionnement. La deuxième partie est une étude approfondie du récepteur utilisant la méthode TDSC. La détection des signaux UWB et la procédure de synchronisation sont évalués en utilisant les signaux réels acquis à partir de la plate-forme. Un ensemble de tests ont été menés avec des signaux en bande de base et des signaux transposés en fréquence, dans les deux cas en transmission sur câble puis par radio. Les résultats ont permis de valider la détection et le principe de la synchronisation. La troisième partie est une proposition d'estimation de la distance entre deux dispositifs d'un réseau radio UWB utilisant un récepteur TDSC, pour une localisation en intérieur. L'étude fait la synthèse de plusieurs propositions et expérimentations et conduit à la définition des meilleurs critères pour une mesure du temps d'arrivée (TOA) et son implémentation pratique sur un récepteur TDSC

L'objectif de nos travaux de recherche est de concevoir une architecture simple et efficace veiller à deux exigences suivantes: une grande précision (au niveau de la pièce) ; une adaptation aux plusieurs scénarios. La thèse contribue aux études pour les systèmes de localisation en intérieur en combinant des approches basées sur la caractérisation de mouvement, la communication courte portée et de l'intensité du signal. La combinaison de ces approches proposées permettent de minimiser la défaillance de chacune approche. En effet, notre système de localisation propose une combinaison des technologies qui sont actuellement équipé en terminaux mobiles, y compris la technologie de WLAN, NFC et des capteurs (accéléromètre et magnétomètre). Voici nos trois approches proposées : Premièrement, nous proposons l'approche basée sur NFC-étiquetage qui fournit un service simple et efficace pour une localisation en intérieur. En touchant une étiquette disséminées dans l'environnement intérieur, l'utilisateur peut connaître sa position réelle qui est même à celle d’étiquette. Cette approche est très pratique car la localisation se fait automatiquement en approchant le terminal mobile de l'utilisateur à l’étiquette. L'approche basée sur NFC-étiquetage, cependant, nécessite l'intervention régulière de l'utilisateur qui n'est pas prédictive et donc peut poser des problèmes sur la validité des informations. Alors, l'information de localisation n’est fiable que dans un certain intervalle de temps depuis le dernier étiquetage. La valeur de cet intervalle de temps (ex. t secondes) sera ajustée selon les scénarios de déploiement. Deuxièmement, nous améliorons la qualité de l'approche précédente en développant la deuxième approche basée sur des capteurs qui combine l'accéléromètre et le magnétomètre pour estimer la distance de déplacement de l'utilisateur. Avec l'objectif de permettre à l'utilisateur de tenir son terminal mobile commodément dans la main (multi-positions), la deuxième approche fournit un service de localisation caractérisant le degré de mouvement à l'utilisateur pour déterminer si l'utilisateur est au même endroit depuis le dernier étiquetage. Pour une longue trajectoire, cette approche permet de détecter que l'utilisateur a déjà déplacé à un autre endroit. Finalement, afin de surmonter les inconvénients de deux approches précédentes, nous proposons la troisième approche basée sur l'intensité du signal en utilisant la similarité des conditions radio entre proches voisins. Nous proposons une combinaison de la technologie NFC et WLAN pour construire la cartographie d'intensité du signal. La communication à courte portée NFC permet au système d’obtenir correctement les informations de position. Cette combinaison peut récupérer les données de l'intensité du signal radio à et les attribuer à une position connue sur la cartographie, sans exiger de phases hors ligne pour enregistrer l'intensité du signal radio. / Ubiquitous computing refers to providing a global computing service where the user access seamlessly resources. User tracking is one of the most important location-aware applications for maintaining the service even with the users' mobility.Unlike outdoor localization technologies like GPS, indoor localization systems have to encounter many problems such as interferences from external sources, low cost and low latency infrastructure requirements, and high accuracy in a limited space.Our localization approaches associate with technologies that are currently equipped in mobile devices, including NFC technology and inertial sensors and Wireless LAN. The aim of this thesis is to design simple and effective architecture ensuring two requirements: a high accuracy and an adaptation to the multiple scenarios. Therefore, our proposed system does not address to the fingerprint technique and learning machine algorithms. In this thesis, we propose three approaches as follows:- The NFC-tagging approach is an instant on-the-spot localization with almost zero-latency- A combination of accelerometer and magnetometer in the sensors-based approach permits to characterize the user's movement- The signal-strength-based approach using the similarity of radio conditions between the neighbors can update in real time the radio map for long period localization.We analyze the performance of the proposed approaches based on rigorous simulation and experimentation tests. We then implement the proposed approaches in a wireless testbed with Android smartphone. Although the implementation is not a final product, the current application can be used to evaluate the feasibility and the performance of the proposed approaches.

La géolocalisation indoor en temps réel a largement été étudiée ces dernières années, et de nombreuses applications y sont associées. Une estimation en temps différé de la trajectoire présente également un certain intérêt. La géolocalisation indoor en temps différé permet par exemple de développer des approches de type crowdsourcing qui tirent profit d'un grand nombre d'utilisateurs afin de récolter un grand nombre de mesures : la connaissance du trajet d'un utilisateur muni d'un smartphone permet par exemple d'alimenter une carte de fréquentation du bâtiment. Estimer la trajectoire de cet utilisateur ne nécessite pas de traitement en temps réel et peut s'effectuer en temps différé ce qui offre deux avantages. D'abord, l'approche temps réel estime une position courante uniquement avec les mesures présentes et passées, alors que l'approche temps différé permet d'avoir accès à l'ensemble des mesures et permet d'obtenir une trajectoire estimée plus régulière et plus précise qu'en temps réel. Par ailleurs, cette estimation peut se faire sur un serveur et n'a pas besoin d'être portée par un smartphone comme c'est le cas en temps réel, ce qui permet d'utiliser une puissance de calcul et un volume mémoire plus importants. L'objet de ces travaux de thèse est de proposer une estimation de la trajectoire d'un individu se déplaçant avec un smartphone recevant des mesures de puissance wifi ou bluetooth (RSS) et enregistrant des mesures inertielles (IMU). En premier lieu, sans la connaissance de la position des murs de la carte, un modèle paramétrique est proposé, basé sur un modèle de propagation d'onde adaptatif pour les mesures RSS ainsi que sur une modélisation par morceaux de la trajectoire inertielle, issue des mesures IMU. Les résultats obtenus en temps différé ont une moyenne d'erreur de 6.2m contre 12.5men temps réel. En second lieu, l'information des contraintes de déplacement induites par la présence des murs du bâtiment est ajoutée et permet d'affiner l'estimation de la trajectoire avec une technique particulaire, comme il est couramment utilisé dans la littérature. Cette seconde approche a permis de développer un lisseur particulaire ainsi qu'un estimateur du maximum a posteriori par l'algorithme de Viterbi. D'autres heuristiques numériques ont été présentées. Une première heuristique ajuste le modèle d'état de l'utilisateur, qui est initialement uniquement basé sur les mesures IMU, à partir du modèle paramétrique développé sans les murs. Une seconde heuristique met en œuvre plusieurs réalisations d'un filtre particulaire et définit deux scores basés sur les mesures RSS et sur la continuité de la trajectoire. Les scores permettent de sélectionner la meilleure réalisation du filtre. Un algorithme global, regroupant l'ensemble de ces approche permet d'obtenir une erreur moyenne de 3.6m contre 5.8m en temps réel. Enfin, un modèle d'apprentissage statistique basé sur des forêts aléatoires a permis de distinguer les trajectoires qui ont été correctement estimées en fonction d'un faible nombre de variables, en prévision d'une application au crowdsourcing. / Real time indoor geolocalization has recently been widely studied, and has many applications. Off-line (post-processing) trajectory estimation also presents some interest. Off-line indoor geolocalization makes it possible for instance to develop crowdsourcing approaches that take advantage of a large number of users to collect a large number of measurements: knowing the trajectory of a smartphone user makes it possible for instance to feed an attendance map. Estimating this trajectory does not need to be performed in real-time and can be performed off-line, two main benefits. Firstly, the real-time approach estimates a current position using present and past measurements only, when the off-line approach has access to the whole measurements, and makes it possible to obtain an estimated trajectory that is smoother and more accurate than with a real-time approach. Secondly, this estimation can be done on a server and does not need to be implemented in the smartphone as it is the case in the real-time approach, with the consequence that more computing power and size memory are available. The objective of this PhD is to provide an off-line estimation of the trajectory of a smartphone user receiving signal strength (RSS) of wifi or bluetooth measurements and collecting inertial measurements (IMU). In the beginning, without the floorplan of the building, a parametric model is proposed, based on an adaptive pathloss model for RSS measurements and on a piecewise parametrization for the inertial trajectory, obtained with IMU measurements. Results are an average error of 6.2mfor the off-line estimation against 12.5m for the real-time estimation. Then, information on displacement constraints induced by the walls is considered, that makes it possible to adjust the estimated trajectory by using a particle technique as often done in the state-of-the-art. With this second approach we developped a particle smoother and a maximum a posteriori estimator using the Viterbi algorithm. Other numerical heuristics have been introduced. A first heuristic makes use of the parametric model developed without the floorplan to adjust the state model of the user which was originally based on IMUalone. A second heuristic proposes to performseveral realization of a particle filter and to define two score functions based on RSS and on the continuity of the estimated trajectory. The scores are then used to select the best realization of the particle filter as the estimated trajectory. A global algorithm, which uses all of the aforementioned approaches, leads to an error of 3.6m against 5.8m in real-time. Lastly, a statistical machine learning model produced with random forests makes it possible to distinguish the correct estimated trajectories by only using few variables to be used in a crowdsourcing framework.

L'objectif de nos travaux de recherche est de concevoir une architecture simple et efficace veiller à deux exigences suivantes: une grande précision (au niveau de la pièce) ; une adaptation aux plusieurs scénarios. La thèse contribue aux études pour les systèmes de localisation en intérieur en combinant des approches basées sur la caractérisation de mouvement, la communication courte portée et de l'intensité du signal. La combinaison de ces approches proposées permettent de minimiser la défaillance de chacune approche. En effet, notre système de localisation propose une combinaison des technologies qui sont actuellement équipé en terminaux mobiles, y compris la technologie de WLAN, NFC et des capteurs (accéléromètre et magnétomètre). Voici nos trois approches proposées : Premièrement, nous proposons l'approche basée sur NFC-étiquetage qui fournit un service simple et efficace pour une localisation en intérieur. En touchant une étiquette disséminées dans l'environnement intérieur, l'utilisateur peut connaître sa position réelle qui est même à celle d'étiquette. Cette approche est très pratique car la localisation se fait automatiquement en approchant le terminal mobile de l'utilisateur à l'étiquette. L'approche basée sur NFC-étiquetage, cependant, nécessite l'intervention régulière de l'utilisateur qui n'est pas prédictive et donc peut poser des problèmes sur la validité des informations. Alors, l'information de localisation n'est fiable que dans un certain intervalle de temps depuis le dernier étiquetage. La valeur de cet intervalle de temps (ex. t secondes) sera ajustée selon les scénarios de déploiement. Deuxièmement, nous améliorons la qualité de l'approche précédente en développant la deuxième approche basée sur des capteurs qui combine l'accéléromètre et le magnétomètre pour estimer la distance de déplacement de l'utilisateur. Avec l'objectif de permettre à l'utilisateur de tenir son terminal mobile commodément dans la main (multi-positions), la deuxième approche fournit un service de localisation caractérisant le degré de mouvement à l'utilisateur pour déterminer si l'utilisateur est au même endroit depuis le dernier étiquetage. Pour une longue trajectoire, cette approche permet de détecter que l'utilisateur a déjà déplacé à un autre endroit. Finalement, afin de surmonter les inconvénients de deux approches précédentes, nous proposons la troisième approche basée sur l'intensité du signal en utilisant la similarité des conditions radio entre proches voisins. Nous proposons une combinaison de la technologie NFC et WLAN pour construire la cartographie d'intensité du signal. La communication à courte portée NFC permet au système d'obtenir correctement les informations de position. Cette combinaison peut récupérer les données de l'intensité du signal radio à et les attribuer à une position connue sur la cartographie, sans exiger de phases hors ligne pour enregistrer l'intensité du signal radio.

Cette thèse s’inscrit dans le projet de communication à proximité aux départements Electronique et Physique et Communications, Images et Traitement de l’Information de l’Institut Télécom Sud Paris. Le projet comporte la mise au point d’un récepteur basé sur une méthode de détection pseudo-cohérente des signaux Ultra Large Bande à double impulsion (TR-UWB), méthode désignée par Time Delayed Sampling and Correlation (TDSC). La première partie de ce document comporte la réalisation d’une plate-forme modulaire de communication UWB basée sur le système de détection TDSC. Cette plate-forme comporte une puce CMOS 0.35μm conçue précédemment au laboratoire EPH. Elle offre la possibilité d’enregistrer des signaux TR-UWB réels et de réaliser des tests de fonctionnement. La deuxième partie est une étude approfondie du récepteur utilisant la méthode TDSC. La détection des signaux UWB et la procédure de synchronisation sont évalués en utilisant les signaux réels acquis à partir de la plate-forme. Un ensemble de tests ont été menés avec des signaux en bande de base et des signaux transposés en fréquence, dans les deux cas en transmission sur câble puis par radio. Les résultats ont permis de valider la détection et le principe de la synchronisation. La troisième partie est une proposition d’estimation de la distance entre deux dispositifs d’un réseau radio UWB utilisant un récepteur TDSC, pour une localisation en intérieur. L’étude fait la synthèse de plusieurs propositions et expérimentations et conduit à la définition des meilleurs critères pour une mesure du temps d’arrivée (TOA) et son implémentation pratique sur un récepteur TDSC / This thesis is part of the Electronics and Physics (EPH) department’s research work at Institut Telecom SudParis in collaboration with the Information, Images and Information Processing (CITI) Department. The project included the development of a receiver architecture called Time Delayed Sampling and Correlation (TDSC) that works with Transmitted Reference Ultra Wideband signals (TR-UWB), and which could achieve a good performance without channel estimation. The first part of this work included the design of a modular UWB communication system based on the TDSC method. This platform uses a 0.35μm CMOS chip conceived by the EPH laboratory. This gives the possibility to record real TR-UWB signals and to achieve functional tests. A second part of the thesis was to deepen the use of the TDSC method for detection of UWB signals and the synchronization procedure of the receiver using real signals acquired by the platform. A series of tests were conducted in this regard by using baseband signals as well as frequency translated signals, through cable channels and radio transmission. The results let us validate the TDSC detection and the synchronization procedure. Finally, a third line of work was the study and development of a distance estimation proposal based on the time of arrival (TOA) of TR-UWB signals, for indoor localization purposes. The study included a synthesis of several proposals and experimental works. Simulations were made and compared with other methods. Experimental results and their good convergence with the simulations let conclude that the proposal is a feasible solution to the measurement of the TOA, based on a TR-UWB receiver with low-complexity architecture

In der vorliegenden Publikation wird ein Verfahren beschrieben, dass eine infrastrukturlose Positionierung im Inneren von Gebäuden ermöglicht. Unter infrastrukturlos wird in diesem Zusammenhang die autarke Positionierung eines Systems auf Basis seiner Inertialsensorik ohne den Einsatz von im Gebäude installierter Zusatzlösungen, wie Funksysteme, verstanden. Aufgrund der insbesondere über die Zeit erhöhten Fehlerbehaftung solcher Sensoren werden bei diesem Verfahren Innenraumkarten in den Lokalisierungsprozess einbezogen. Diese Kartendaten erlauben den Ausschluss invalider Positionen und Bewegungen, wie das Durchqueren von Wänden, und ermöglichen somit eine wesentliche Verbesserung der Ortungsgenauigkeit.