WO2020127496A1 - Procédés et dispositifs pour l'émission et pour l'estimation de l'instant d'arrivée d'une séquence de bits - Google Patents

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WO2020127496A1
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bits
sequence
code
transmitted
value
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PCT/EP2019/085969
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Jan Mennekens
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Uwinloc
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Publication date
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    • G01S5/06—Position of source determined by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements

Definitions

  • the present invention is particularly well suited to the field of geolocation of a transmitter device of a wireless communication system.
  • the invention relates to a method of transmitting a message by such a transmitting device, as well as a method of estimating the instant of arrival of such a message by a receiving device of the communication system without wire.
  • the present invention finds a particularly advantageous, although in no way limitative, application in geolocation systems of a transmitter device of a wireless communication system.
  • the radio signal sent to the beacons generally carries a message corresponding to an identifier of the label.
  • Each tag that receives the message sent by the label then estimates an instant of arrival of the message.
  • arrival time differences (“Time Difference Of Arrival” or TDOA in English literature)
  • a server which collects all the arrival times estimated by the different tags, and which knows the geographic positions of said tags, is then able to estimate the geographic position of the label.
  • the precision of the estimation of the geographic position of the label depends on the precision of the estimation of the time of arrival of the message by each tag.
  • a tag can sample the received signal and calculate correlation values of the received signal with a reference signal from the signal samples.
  • a correlation peak whose value is greater than a predetermined threshold generally corresponds to the detection of a message. It is then possible to estimate the instant of arrival of the message as a function of the instant of the correlation peak.
  • the precision of the estimation of an instant of arrival of a message then depends on the sampling frequency of the received signal: the higher the sampling frequency, the more the precision of the estimation of the instant. arrival is great.
  • the increase in the sampling frequency is necessarily limited, whether for reasons of cost, energy consumption or even technological developments.
  • the constraints in terms of energy consumption of the label are particularly strong.
  • the duration of a message should be limited in order to reduce the time during which the label is active.
  • the object of the present invention is to remedy all or part of the drawbacks of the prior art, in particular those set out above, by proposing a solution which makes it possible on the one hand to reduce the electrical consumption of a transmitting device during the transmission of a message, and on the other hand to optimize the decoding of the message and the precision of the estimation of the instant of arrival of the message at the level of a receiving device.
  • a message corresponds to a sequence of bits, or to several sequences of bits of the same length concatenated (stuffing bits which can be used in the case where the number of bits encoding the information useful is not a multiple of the length of a bit sequence).
  • transmission of a message corresponds to the successive transmission of all the bit sequences forming the message.
  • the detection of the arrival time of a message corresponds to the detection of the arrival time of the first sequence of bits forming the message.
  • a method is proposed by the present invention.
  • a set of codes has been determined beforehand, in which each code is associated with a possible value of a block of Nb bits, and each code comprises an ordered set of N s binary symbols intended to be transmitted at a frequency f s .
  • the process includes:
  • N s x fb N x Nb x fs
  • N, N s and Nb are positive integers.
  • the number Nb of bits in each block is greater than or equal to two.
  • Such provisions increase the transmission rate and therefore reduce the time required to send a message. This then makes it possible to reduce the electrical consumption of a transmitting device implementing such a method. In addition, the overall noise for a system using several such transmitting devices is reduced.
  • the method for transmitting a sequence of bits according to the invention makes it possible to optimize the detection and the accuracy of the estimation of the instant of arrival of the sequence of bits at the level of a receiving device. .
  • the invention may also include one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination.
  • the set of codes associated with the possible values of a block of Nb bits comprises 2 (Nb_1) main codes as well as the 2 (Nb - 1) respective reverse codes.
  • a binary symbol of a reverse code has a state contrary to a state of the binary symbol of the same rank of the respective main code.
  • the code opposite to the code normally associated with the value of a bit block is used to encode at least one predetermined bit block of the sequence of bits to be transmitted.
  • the reverse code is used in place of the code normally associated with the value of a block of bits for every second block of bits of the sequence of bits to be transmitted.
  • the signal used to transmit the binary symbols is an ultra wideband signal of the “all or nothing” type.
  • the two possible states of a binary symbol then correspond respectively to the presence or absence of a pulse.
  • the determined codes have a level of inter-correlation two by two less than 30% of N s .
  • the present invention relates to a transmitter device implementing a method for transmitting a sequence of bits according to any one of the preceding modes of implementation.
  • the present invention relates to a method for estimating the arrival time of a sequence of bits.
  • the sequence of bits is transmitted according to a method corresponding to any one of the preceding modes of implementation.
  • a correlation calculation is carried out between the signal carrying the sequence of bits and a reference signal representative of said code .
  • the time of arrival of the bit sequence is determined as a function of N respective detection instants of N correlation peaks corresponding to the N different blocks of bits transmitted.
  • the present invention relates to a receiving device implementing a method for estimating the arrival time of a sequence of bits according to any one of the preceding modes of implementation.
  • the present invention relates to a geolocation system of a transmitting device according to any one of the preceding embodiments.
  • the system includes a plurality of receiving devices according to any one of the preceding embodiments.
  • the present invention relates to such a geolocation system in which a transmitting device is a label intended to be placed on an object to be geolocated, and a receiving device is a beacon generating an electromagnetic field for energetically supplying a label.
  • the geolocation system furthermore comprises a server which collects the arrival times of a message sent by a label estimated by the various tags, and which estimates the geographical position of said label as a function of the estimated arrival times and positions of the different tags.
  • FIGS. 1 to 9 represent:
  • Figure 1 schematically represents a geolocation system of a transmitting device.
  • FIG. 2 schematically represents code used to encode a bit of a sequence of bits to be transmitted, as well as the associated signal.
  • FIG. 3 schematically represents a correlation signal generated by a receiving device from a signal carrying a sequence of bits transmitted by a sending device.
  • FIG. 4 schematically represents the main steps of a method for transmitting a sequence of bits according to the invention.
  • FIG. 5 schematically represents an interleaving of binary symbols forming codes respectively associated with blocks of bits of a sequence of bits to be transmitted.
  • Figure 6 schematically represents interleaved binary symbols shown in Figure 5, as well as the associated signal.
  • FIG. 7 schematically represents a correlation signal generated by a receiving device from a signal carrying a sequence of bits transmitted according to the transmission method according to the invention.
  • FIG. 8 represents a table representing codes associated with the different values that a block of four bits can take.
  • FIG. 9 schematically represents a particular mode of implementation of the method for transmitting a sequence of bits according to the invention.
  • the present invention aims to propose a solution making it possible in particular to reduce the electrical consumption of a transmitting device during the transmission of a message, as well as to optimize the decoding of the message and the accuracy of the estimate of the instant of arrival of the message at a receiving device.
  • Another advantage of the proposed solution is to increase the message transmission rate.
  • FIG. 1 schematically represents such a geolocation system 10.
  • the geolocation system 10 comprises at least one transmitting device 11, a plurality of receiving devices 12, as well as a server 13 connected to the various receiving devices.
  • a message is sent by a sending device 1 1 to each device receiver 12 in the form of a radio signal carried over a wireless communication link 14.
  • radio signal an electromagnetic wave propagating via non-wired means, the frequencies of which are included in the traditional spectrum of radio waves (a few hertz to several hundred gigahertz).
  • the transmitter device 1 1 comprises wireless communication means, considered to be known to those skilled in the art, allowing the transmitter device 1 1 to transmit messages in the form of radio signals intended for the receiver devices 12 of the system 10 of geolocation.
  • Such means may in particular include a processor, a local oscillator, analog and / or digital filters, a digital / analog converter, a power amplifier, an antenna, etc.
  • the receiving device 12 includes wireless communication means, considered to be known to those skilled in the art, allowing the receiving device 12 to receive a message from a sending device 11 in the form of signals.
  • wireless communication means may in particular include a processor, a local oscillator, analog and / or digital filters, an analog / digital converter, a low noise amplifier, an antenna, a demodulator, a correlator, etc.
  • a communication link 15 between a receiving device 12 and the server 13 can be a wired communication link or a wireless communication link.
  • an emitting device 1 1 of the geolocation system 10 is a label comprising a battery which is recharged from energy coming from surrounding electromagnetic fields to emit a radio signal intended for receiving devices 12, called “beacons”, positioned inside a hangar.
  • the electromagnetic fields used to recharge the label battery are generated by the tags themselves.
  • the radio signal sent to the beacons carries, for example, a message corresponding to an identifier of the label.
  • the electrical energy consumption of the label for transmitting a message depends on the duration of transmission of the message. Indeed, the longer the duration of emission of a message is short, the shorter the period of time during which the label must be in an active mode to send the message, the more the power consumption of the label is reduced.
  • Each tag that receives the message sent by the label then estimates an instant of arrival of the message.
  • the server 13 collects all the arrival times estimated by the various tags. In addition, the server 13 knows the geographic positions of said tags.
  • the server 13 is then able to estimate the geographic position of the label.
  • the precision of the estimation of the geographic position of the label depends on the precision of the estimation of the time of arrival of the message by each tag.
  • the radio signal transmitted by a tag of the geolocation system 10 is an ultra wide band signal.
  • Ultra wide band (“Ultra Wide Band”, also designated by the acronym UWB, in the English literature), one refers to radio signals having a frequency spectrum greater than 500 megahertz at -10 dB compared at the maximum power of said instantaneous frequency spectrum, or else radio signals having a bandwidth to central frequency ratio of 20% or more.
  • a UWB signal usually has very short radio pulses on the order of a nanosecond or a few nanoseconds.
  • the very short duration of these radio pulses means that the UWB signal has a very wide bandwidth with a relatively low power spectral density. Because of this relatively low power spectral density, UWB signals can share the radio spectrum with radio signals from other narrower band communication systems without causing interference problems.
  • a UWB signal is relatively insensitive to the phenomenon of attenuation due to the multiple paths taken by a radio wave.
  • a UWB signal can therefore provide good spatial and temporal resolutions. Due to its very short duration, a pulse has very high rising and falling edges fast, which makes it possible to determine, at the level of a device receiving the UWB signal, a very precise arrival time of a pulse. It is also possible to fairly clearly distinguish the shortest route from the other routes taken by the radio wave. All of this contributes to optimizing an estimate of the geographical position of a device transmitting a UWB signal from the time of arrival of said signal.
  • Figure 2 shows schematically how a UWB signal conventionally carries a bit of a message.
  • a pseudo-random code (“Pseudo-Noise Code” or PN Code in Anglo-Saxon literature) known both by the sending device 11 and by the receiving devices 12 is used to encode each bit of the message.
  • the code comprises a number N s of binary symbols 20 ordered.
  • Each binary symbol can take two possible states: a state or its opposite state.
  • a state of a binary symbol is represented by the value 1
  • its opposite state is represented by the value -1.
  • a binary symbol 20 in the state represented by the value 1 corresponds for example to the presence of a pulse 21 on the UWB signal.
  • a binary symbol 20 in the state represented by the value -1 corresponds for example to an absence of a pulse 21 on the UWB signal. This is called “all or nothing” modulation (“On Off Keying” or OOK in Anglo-Saxon literature).
  • the duration of a binary symbol is noted T s .
  • the duration of a pulse 21 is denoted Ti.
  • a pulse 21 of the UWB signal corresponds to a time period of duration Ti during which the signal is a sinusoidal carrier of frequency f, the signal being zero the rest of the time.
  • the number N s of binary symbols is equal to 128; the carrier frequency f P has the value 4 GHz; the duration Ti of a pulse 21 is 2.5 ns; the duration T s of a binary symbol is 160 ns, which corresponds to a transmission frequency f s of binary symbols of 6.25 MHz.
  • the time T'b to transmit a bit is then equal to N s x Ts, or 20,480 ps, which corresponds to a frequency f'b of bit transmission of approximately 48.83 kbits / s.
  • the receiving device 12 can, in a conventional manner, decode a message sent by the sending device 1 1 by sampling the envelope d pulses 21 of the signal transporting said message and making a correlation between the samples obtained and a reference sequence representative of said code modulated by an envelope of pulses.
  • a sample takes for example the value 1 for a sampling instant included in a period Ti of a pulse 21; a sample takes for example the value -1 for a sampling instant included outside of a period Ti of a pulse 21.
  • the sampling frequency is noted f e .
  • the time difference between two samples is noted T e .
  • the number of samples per binary symbol is denoted N e , this number corresponds to the ratio between the sampling frequency f e and the frequency f s of transmission of binary symbols.
  • the sampling frequency f e is equal to 500 MHz and the number N e of samples per binary symbol is equal to 80.
  • the correlation is performed on a sliding window of samples of the received signal whose length is equal to the length of the reference sequence.
  • sampling frequency f e 500 MHz
  • Other sampling frequency values can be used, such as 2 GHz sampling, which then implies a reference sequence of 40,960 samples.
  • the greater the sampling frequency f e the more reliable the detection of a message, and the greater the accuracy of the time of arrival of said message.
  • FIG. 3 schematically represents a correlation signal generated by a receiving device 12 from a signal transporting a message transmitted by a sending device 1 1.
  • the correlation values of the signal are represented in ordered.
  • the sampling instants are represented on the abscissa.
  • a correlation value at a given sampling instant is for example calculated by multiplying the value of each sample in the sliding window with the value of the corresponding sample in the reference sequence, and adding the results obtained for all samples of the sliding window.
  • a correlation peak 30 is reached when the correlation value at a sampling instant is greater than a predetermined correlation threshold S ’.
  • a correlation peak 30 corresponds to the detection of a bit of value 1.
  • a bit of value 0 can be detected when a correlation value at a sampling instant is negative with an absolute value greater than the threshold S ’.
  • a bit of value 0 can be detected by correlating the samples of the received signal with a reference sequence representative of the reverse code.
  • a sufficiently high threshold level S ′ should be chosen so as to avoid the detection of false correlation peaks 31, 32. However, it is also necessary to choose a threshold level S 'low enough to avoid missing a detection of a correlation peak 30 (knowing that the signal can be disturbed by interference during its transmission from the transmitter device 1 1 to the receiving device 12 and that the maximum possible value of correlation is not therefore necessarily reached for each bit of the message).
  • the greater the number N s of code samples the easier it will be to detect a correlation peak 30, because it is then easier to discriminate a correlation peak 30 from a false correlation peak 31, 32 .
  • the fact of increasing the length N s of the code has the drawback of lengthening the duration of transmission of a bit as well as the complexity of the correlation calculations by the receiver device 12. Another drawback is that the clock transmission must be more precise if the length N s of the code is greater.
  • the instant of arrival of a bit at the receiving device 12 corresponds to the instant of detection of a correlation peak 30.
  • the relationship between the sampling frequency f e and the frequency f s of symbol emission 20 binary is not necessarily an integer value, and like on the other hand the instant of reception of the beginning of a binary symbol 20 is not necessarily aligned with a sampling instant, the estimation of the instant d arrival of a bit can present a precision error equal to the time difference Te between two samples.
  • FIG. 4 schematically represents the main steps of a method 100 for transmitting a sequence of bits according to the invention.
  • a sequence of bits can correspond to a message to be sent.
  • a message to be sent can correspond to the concatenation of several bit sequences of the same length.
  • the method 100 of transmitting a sequence of bits according to the invention for each sequence of bits forming the message must be executed.
  • this method 100 of transmitting a sequence of bits aims to improve the transmission rate of the bits of the sequence as well as to optimize the detection and the precision of the estimation of the instant of detection of a correlation peak.
  • the method 100 for transmitting a sequence of bits is implemented by a transmitting device 1 1.
  • the transmitting device 1 1 comprises for example a processing circuit (not shown in the figures), comprising one or several processors and storage means (for example an electronic memory) in which a computer program product is stored, in the form of a set of program code instructions to be executed in order to implement the various steps of the process 100 of transmission of a sequence of bits.
  • the processing circuit comprises one or more programmable logic circuits (FPGA, PLD, etc.), and / or one or more specialized integrated circuits (ASIC), and / or a set of discrete electronic components, etc. , adapted to implement all or part of said steps of the method 100 for transmitting a sequence of bits.
  • the processing circuit includes a set of means configured in software (specific computer program product) and / or hardware (FPGA, PLD, ASIC, discrete electronic components, etc.) to implement the steps of the method 100 for sending a sequence of bits to a receiving device 12.
  • the bit sequence is transmitted at a frequency fb.
  • a set of codes is determined prior to the implementation of the method 100 for transmitting the bit sequence.
  • Each code is associated with a possible value of a block of Nb bits, and each code comprises an ordered set of N s binary symbols intended to be transmitted at a frequency f s .
  • the emission method 100 comprises:
  • an interlacing 104 of the binary symbols 20 of the N codes corresponding respectively to the N blocks of bits to be transmitted, the interleaved binary symbols 20 being transmitted successively over time with a frequency f c such that N xf s f c , so that the first binary symbol 20 of the code associated with the first block of bits to be transmitted is transmitted first, followed by the first binary symbol 20 of the code associated with the second block, and so on until the first binary symbol 20 of the code associated with the block of rank N; then the second binary symbol 20 of the code associated with the first block, followed by the second binary symbol 20 of the code associated with the second block, and so on until the second binary symbol 20 of the code associated with the block of rank N; and so on until the binary symbol of rank N s of the code associated with the first block, followed by the binary symbol of rank N s associated with the second block, and so on until the binary symbol of rank N s associated at the block of row N.
  • the binary symbols of the N codes corresponding respectively to the N blocks of bits to be transmitted are interleaved in the sense that the times of start of transmission of said binary symbols are interleaved.
  • FIG. 5 schematically illustrates the method 100 for the transmission of a sequence 22 of sixteen bits.
  • the sequence 16 of sixteen bits is divided into four blocks 23 each comprising four bits.
  • N 4
  • Nb 4
  • Sixteen different pseudo-random codes are then determined and associated respectively with the different possible values that a block 23 can take.
  • a code is a binary sequence of type M-sequence.
  • the pseudo-random codes can advantageously be chosen so that they have a level of inter-correlation two by two less than 30% of N s . Such arrangements make it possible in particular to optimize the detection of a correlation peak. As illustrated in figure 8, it is also possible to determine 2 (Nb_1) main codes (i.e. eight main codes in the example considered) as well as the 2 (Nb_1) respective reverse codes in order to form a set of 2 Nb codes corresponding to the 2 Nb possible values of a block 23.
  • FIG. 8 represents such a table association.
  • the first column of this table contains the sixteen possible values (in binary format) which can be taken by a block 23 of four bits, and the second column of this table contains the codes associated respectively with each of these possible values.
  • the N s binary symbols 20 of the N codes corresponding respectively to the values of the N blocks 23 of bits of the sequence 22 of bits to be transmitted are then interleaved as illustrated in FIG. 5.
  • Each binary symbol shown in Figure 5 has two numbers.
  • the top number represents the rank of the binary symbol 20 among the N s ordered binary symbols 20 of the code to which it belongs.
  • the number at the bottom represents the rank of block 23 among the N blocks 23 ordered to transmit.
  • a binary symbol 20 for which the pair (rank of the binary symbol, rank of the block) is equal to (1, 1) corresponds to the first binary symbol 20 of the code associated with the value of the first block 23.
  • the binary symbol 20 (1, 2) corresponds to the first binary symbol 20 of the code associated with the value of the second block 23.
  • the binary symbol 20 (1, N) corresponds to the first binary symbol 20 of the code associated with the value of block 23 of rank N, it is ie the last block 23 of the sequence 22 of bits to be transmitted.
  • the binary symbol 20 (2, 1) corresponds to the second binary symbol of the code associated with the value of the first block 23.
  • the binary symbol 20 (2, 2) corresponds to the second binary symbol 20 of the code associated with the value of the second block 23.
  • the binary symbol 20 (2, N) corresponds to the second binary symbol 20 of the code associated with the value of the second block 23.
  • the binary symbol 20 (N s , 1) corresponds to the binary symbol 20 of rank N s , that is to say the last binary symbol, of the code associated with the value of the first block 23.
  • the binary symbol 20 (N s , 2) corresponds to the binary symbol 20 of rank N s of the code associated with the value of the second block 23.
  • the binary symbol 20 (N s , N) corresponds to the last binary symbol of the code associated with the value of the last block 23 to be sent.
  • the binary symbols 20 of the code associated with the value of the first block 23 are then the binary symbols (1, 1), (2, 1), ..., (N s , 1).
  • the binary symbols 20 of the code associated with the value of the second block 23 are then the binary symbols 20 (1, 2), (2, 2), ..., (N s , 2).
  • the binary symbols 20 of the code associated with the value of the third block 23 are then the binary symbols 20 (1, 3), (2, 3), ..., (N s , 3).
  • the binary symbols 20 of the code associated with the value of the last block 23 to be transmitted are then the binary symbols (1, N), (2, N),. .., (N s , N).
  • each interlaced binary symbol 20 corresponds either to the presence of a pulse 21 (if the symbol takes a state represented by the value 1), or to the absence of a pulse (if the symbol takes a state represented by the value -1).
  • the interleaving of the binary symbols is carried out with an overlap of the binary symbols.
  • binary symbols with the same symbol rank and different block ranks overlap.
  • the binary symbols (1, 1), (1, 2), (1, 3) and (1, 4) overlap, i.e. they have a common time period.
  • the number N of blocks 23 into which the sequence 22 of bits to be transmitted is divided is chosen so that the time difference T c between two interleaved binary symbols 20 is greater than the duration Ti of a pulse 21.
  • T c time difference between two interleaved binary symbols 20
  • T c time difference between two interleaved binary symbols 20
  • Ti duration
  • the frequency fb of bit transmission is (Nb x N) times greater than the frequency fb of bit transmission of a conventional method as described with reference to FIGS. 2 and 3.
  • this means that the method 100 of transmitting a sequence 22 of bits according to the invention allows a multiplication by sixteen (Nb x N 16) of the bit rate for the transmission of a sequence 22 of bits.
  • the bit transmission frequency fb is then 781.25 kb / s.
  • the time necessary to transmit a sequence 22 of bits is thus divided by sixteen compared to a conventional method as described with reference to FIGS. 2 and 3.
  • the time to transmit a message comprising an identifier of ninety-six bits formed by four sequences 22 of sixteen bits is approximately 123 ps.
  • the time required to send such a message comprising an identifier of ninety-six bits with a method as described with reference to FIGS. 2 and 3 is approximately equal to 2 ms.
  • the method 100 according to the invention thus makes it possible to considerably reduce the time during which the sending device 1 1 must be active to send the message.
  • the number of pulses 21 to be generated to encode a message is also divided on average by the number Nb of bits that a block 22 comprises (ie a division by four in the example considered). All of this contributes to drastically limiting the power consumption of the emitting device 11 when sending a message.
  • Another advantage resulting from the reduction of the time for sending a message by a transmitter device 1 1 is a reduction in noise for the overall system.
  • two messages sent at random times by two sending devices 11 of the geolocation system 10 have a lower probability of being sent at the same time if the sending time of a message is shorter. Interference caused by simultaneous transmission of messages is then reduced.
  • a receiver device 12 knows the order of transmission of the N blocks 23 of a sequence 22 of bits transmitted by a transmitter device 11, as well as the codes used and the table of association of said codes with the different possible values of a block 23.
  • the receiving device 12 is then capable of decoding a sequence 22 of bits transmitted by a transmitting device 11 by sampling the envelope of pulses 21 of the signal transporting said sequence 22 of bits and making, for each of the 2 Nb codes used, a correlation between the samples obtained and a reference sequence representative of said code modulated by an envelope of pulses.
  • a sample takes the value 1 for a sampling instant included in a period Ti of a pulse 21; a sample takes the value -1 for a sampling instant included outside a period Ti of a pulse 21.
  • the sampling frequency is noted f e .
  • the time difference between two samples is noted Te.
  • the number of samples per binary symbol 20 is denoted N e , this number corresponds to the ratio between the sampling frequency f e and the frequency f s of transmission of binary symbols 20.
  • the sampling frequency f e is equal to 500 MHz and the number N e of samples per binary symbol is equal to 80.
  • the length of the reference sequence of a code is then 10,240 samples.
  • Each of the 2 Nb correlations are performed on a sliding window of samples of the received signal whose length is equal to the length of the reference sequence.
  • the greater the number of samples in the sliding window identical to the samples of the reference sequence of a code the greater the correlation value for this code.
  • a correlation value for a given code at a given sampling instant is for example calculated by multiplying the value of each sample of the sliding window with the value of the corresponding sample of the reference sequence of said code, and adding the results obtained for all samples of the sliding window.
  • FIG. 7 schematically represents such a correlation signal generated by a receiver device 12 from a signal carrying a sequence 22 of bits transmitted by a transmitter device 11.
  • the correlation values of the signal are represented on the ordinate.
  • the sampling instants are shown on the abscissa.
  • N peaks 41, 42, 43, 44 of successive correlation spaced by a time difference approximately equal to T c .
  • Each correlation peak 41, 42, 43, 44 corresponds to one of the N blocks 23 into which the sequence 22 of bits has been split.
  • a correlation peak 41, 42, 43, 44 is reached for example when the correlation value at a sampling instant is greater than a predetermined correlation threshold S.
  • the level of the correlation threshold S can take a value significantly lower than the level of the correlation threshold S 'for a conventional method as described with reference to FIGS. 2 and 3.
  • the sampling have correlation values greater than the correlation threshold S, as is the case for example for the false correlation peaks 45, 46 shown in FIG. 7, a correlation peak will not be detected for these instants of sampling because there is no presence of N peaks 41, 42, 43, 44 of successive correlation separated by a time difference approximately equal to T c for these sampling instants.
  • the time difference between two successive peaks among the N correlation peaks 41, 42, 43, 44 is not necessarily exactly equal to T c .
  • the ratio between the sampling frequency f e and the frequency f s of transmission of binary symbols is not necessarily an integer value.
  • the instant of reception of the start of a binary symbol is not necessarily aligned with a sampling instant.
  • the time difference between two successive peaks among the N peaks 41, 42, 43, 44 of correlation is between (T c - Te) and (Tc + Te).
  • a receiving device 12 can then advantageously implement a method of estimating the time of arrival of a sequence 22 of bits transmitted by a transmitter device 11 in which the time of arrival of the sequence of bits is determined as a function of the respective N instants of detection of N peaks 41, 42, 43, 44 of correlation of the N different blocks 23 of bits transmitted. If the 22 bit sequence corresponds to a message, the message arrival time corresponds to the arrival time of the 22 bit sequence. If a message corresponds to several sequences 22 of concatenated bits, the time of arrival of the message corresponds to the time of arrival of the first sequence 22 of bits.
  • the receiving device 12 comprises for example a processing circuit (not shown in the figures), comprising one or more processors and storage means (for example an electronic memory) in which a computer program product is stored, in the form of a set of program code instructions to be executed to implement the different steps of the method for estimating the arrival time of a sequence 22 of bits.
  • the processing circuit comprises one or more programmable logic circuits (FPGA, PLD, etc.), and / or one or more specialized integrated circuits (ASIC), and / or a set of discrete electronic components, etc. , adapted to implement all or part of said steps of the method for estimating the arrival time of a sequence 22 of bits.
  • the processing circuit includes a set of means configured in software (specific computer program product) and / or hardware (FPGA, PLD, ASIC, discrete electronic components, etc.) to implement the steps of the method for estimating the instant of arrival of a sequence 22 of bits transmitted by a transmitting device 11.
  • the estimate of the instant of arrival of the sequence 22 of bits can be determined by averaging the number of samples separating two successive peaks from among the N correlation peaks 41, 42, 43, 44. If this calculated average number is greater than the expected theoretical difference equal to N e / N, then this means that the arrival time of the sequence 22 of bits is later than the sampling time corresponding to the first correlation peak 41. Conversely, if this calculated average number is less than the expected theoretical difference equal to N e / N, then this means that the arrival time of the bit sequence 22 precedes the sampling time corresponding to the first peak 41 of correlation.
  • the set of 2 Nb codes can advantageously include 2 (Nb_1) main codes (i.e. eight main codes in the example considered) as well as their 2 (Nb 1 > respective reverse codes. This can in fact advantageously make it possible to be satisfied with doing correlations for the 2 (Nb_1) main codes and to thus divide by two the number of correlations to be carried out at each sampling instant. In this case it is advisable to consider for each sampling the largest correlation value in absolute value among the 2 (Nb 1 > correlation values calculated for the different main codes. If this value is positive, this means that the calculated correlation value potentially corresponds to the detection of a block 23 whose value is that associated with the main code used for this correlation calculation. If this value is negative, this means that the calculated correlation value potentially corresponds to the detection of a block 23 whose value is that associated with the inverse code of the main code used for this correlation calculation.
  • each of the N successive peaks 41, 42, 43, 44 corresponds respectively to a block 23 of Nb bits whose value is that associated with the code used for the corresponding correlation calculation (or possibly with the reverse code of the code used for this correlation calculation).
  • the receiver device 12 knows in which order the blocks 23 of a sequence 22 of bits corresponding to a message are transmitted, it is possible for the receiver device 12 to reconstruct the sequence 22 of bits transmitted by the transmitter device 11. If a message is formed by several sequences 22 of bits, the receiving device 12 can reconstruct the message by concatenating the different sequences 22 of bits obtained.
  • the code opposite to the code normally associated with the value of a block 23 of bits is used to encode at least one block 23 of bits predetermined sequence of bits 22 to be transmitted.
  • the reverse code is used in place of the code normally associated with the value of a block 23 of bits for a block 23 bits out of two of the 22 bit sequence to be transmitted.
  • each block 23 has four bits.
  • the code used to encode the first block 23 (Block # 1) having the value Val1 is the code of the association table represented in FIG. 8 associated with the value Val1.
  • the code used to encode the second block 23 (Block # 2) having the value Val2 is the reverse code to the code associated with the value Val2.
  • the code used to encode the third block 23 (Block # 3) having the value Val3 is the code associated with the value Val3.
  • the code used to encode the fourth block 23 (Block # 4) having the value Val4 is the reverse code to the code associated with the value Val4.
  • Such arrangements make it possible in particular to reduce the symmetry of the binary symbols 20 transmitted when several blocks 23 having the same value must be transmitted successively. This is the case, for example, when several blocks 23 have the value zero. Rather than encoding all successive blocks 23 whose value is zero with one and the same code, one block out of two will be encoded with the code associated with the value zero, and one block 23 out of two will be encoded with the reverse code the code associated with the value zero.
  • the method 100 for transmitting a sequence 22 of bits allows the transmission rate to be multiplied by the number Nb of bits included in a block 23 and by the number N of blocks 23 into which the sequence 22 of bits is divided.
  • the bit rate is thus multiplied by Nb x N compared to a conventional emission method as described with reference to Figures 2 and 3.
  • the number of pulses 21 necessary to encode a message is divided on average by the number Nb of bits included in a block 23.
  • Another advantage resulting from the reduction in the time for a message to be sent by a sending device 11 is a reduction in noise for the overall system. Indeed, two messages sent at random times by two sending devices 1 1 of the geolocation system 10 have a lower probability of being sent at the same time if the time to send a message is shorter. Interference caused by simultaneous transmission of messages is then reduced.
  • Transmitting a sequence 22 of bits according to a transmission method 100 according to the invention also makes it possible to optimize, at the level of a receiving device 12, the detection and the precision of the estimation of the instant of detection of a correlation peak.
  • the sensitivity of the correlator of the receiving device 12 is improved, as if the receiving device 12 virtually used length codes N x N s binary symbols 20 (instead of length codes N s binary symbols 20).
  • the division 101 of a sequence 22 into N blocks 23 of Nb bits and the interleaving 104 of the binary symbols of the codes corresponding respectively to said N blocks 23 makes it possible to limit the number of codes to be used and the number of correlation calculations to be performed at the receiving device 12.
  • Nb_1 codes On the other hand, with a method without cutting or interleaving, it would be necessary to determine 2 NxNb codes having satisfactory levels of inter-correlation and to perform 2 NxNb correlations to decode the sequence 22 of bits.
  • the invention makes it possible to be satisfied with eight codes and eight correlation calculations at each sampling instant, whereas it would be necessary to use 32,768 codes and as many correlation calculations as each sampling instant for a method without cutting or interleaving.
  • a receiving device 12 can also advantageously implement a method of estimating the instant of arrival of a sequence 22 of bits transmitted by a transmitter device 11 in which the instant of arrival of the sequence 22 of bits is determined as a function of the respective N instants of detection of N peaks 41, 42, 43, 44 of correlation of the N different blocks 23 of bits transmitted.
  • the estimation of the arrival time of a 22-bit sequence is then more precise than that described with reference to FIG. 3.
  • the invention has been described by considering a system 10 for geolocation of a transmitting device 1 1 based on calculations of the difference in time of arrival of a message sent by said transmitter 1 1 and received by receiving devices 12. None does not exclude, however, that the invention could be applied to other systems.
  • the method 100 for transmitting a message according to the invention finds an advantage when it is advantageous to increase the bit transmission rate by a transmitting device 11.
  • the invention has also been described by considering that a message transmitted by a transmitting device 1 1 is transported by an ultra wideband radio signal of the “all or nothing” type (a binary symbol being represented by the presence or the absence of an impulse 21).
  • the invention can be applied to other types of modulation, such as for example a time-shift modulation of a pulse (“time-shift modulation”), a modulation of the form d 'amplitude (“flip modulation”), etc.
  • time-shift modulation a time-shift modulation of a pulse
  • flip modulation a modulation of the form d 'amplitude
  • the invention can be applied to other types of signals, in particular signals whose bandwidth is lower, or to other modulations, such as for example amplitude modulations, frequency or phase.

Abstract

L'invention concerne un procédé d'émission d'une séquence de bits à émettre à une fréquence fb. Un ensemble de codes est préalablement déterminé, dans lequel chaque code est associé à une valeur possible d'un bloc de Nb bits, et chaque code comporte un ensemble ordonné de Ns symboles binaires destinés à être émis à une fréquence fs. Le procédé comporte : - un découpage de la séquence de bits en N blocs de Nb bits, la fréquence fs et les nombres N et Nb étant choisis de sorte que Ns x fb = N x Nb x fs, - une association d'un code à chacun des N blocs en fonction de la valeur desdits blocs, - un entrelacement des symboles binaires des N codes correspondant respectivement aux N blocs de bits à émettre, les symboles binaires entrelacés étant transmis à une fréquence fc telle que N x fs = fc.

Description

Titre de l’invention : Procédés et dispositifs pour l’émission et pour l’estimation de l’instant d’arrivée d’une séquence de bits
Domaine de l’invention
La présente invention est particulièrement bien adaptée au domaine de la géolocalisation d’un dispositif émetteur d’un système de communication sans fil. Notamment, l’invention concerne un procédé d’émission d’un message par un tel dispositif émetteur, ainsi qu’un procédé d’estimation de l’instant d’arrivée d’un tel message par un dispositif récepteur du système de communication sans fil.
Etat de la technique
La présente invention trouve une application particulièrement avantageuse, bien que nullement limitative, dans les systèmes de géolocalisation d’un dispositif émetteur d’un système de communication sans fil.
Le signal radio émis à destination des balises transporte généralement un message correspondant à un identifiant de l’étiquette.
Chaque balise qui reçoit le message émis par l’étiquette estime alors un instant d’arrivée du message. Par des méthodes dites de « différences des temps d’arrivée » (« Time Différence Of Arrivai » ou TDOA dans la littérature anglo- saxonne), un serveur qui collecte l’ensemble des temps d’arrivée estimées par les différentes balises, et qui connaît les positions géographiques desdites balises, est alors capable d’estimer la position géographique de l’étiquette.
La précision de l’estimation de la position géographique de l’étiquette dépend de la précision de l’estimation de l’instant d’arrivée du message par chaque balise.
Il est connu d’encoder un message sous la forme d’une séquence de bits et de moduler chaque bit à transmettre avec un code pseudo-aléatoire. Cette modulation du signal à émettre avec un signal pseudo-aléatoire de fréquence plus élevée est connue sous le nom d’étalement de spectre à séquence directe (« Direct-Sequence Spread Spectrum » ou DSSS dans la littérature anglo-saxonne).
Pour décoder un message reçu en provenance d’une étiquette, une balise peut procéder à un échantillonnage du signal reçu et calculer des valeurs de corrélation du signal reçu avec un signal de référence à partir des échantillons du signal.
Un pic de corrélation dont la valeur est supérieure à un seuil prédéterminé correspond généralement à la détection d’un message. Il est alors possible d’estimer l’instant d’arrivée du message en fonction de l’instant du pic de corrélation.
La précision de l’estimation d’un instant d’arrivée d’un message dépend alors de la fréquence d’échantillonnage du signal reçu : plus la fréquence d’échantillonnage est élevée, et plus la précision de l’estimation de l’instant d’arrivée est grande. Cependant, l’augmentation de la fréquence d’échantillonnage est nécessairement limitée, que ce soit pour des raisons de coût, de consommation énergétique, voire encore de développements technologiques.
D’autre part, dans un tel système, les contraintes en termes de consommation énergétique de l’étiquette sont particulièrement fortes. Il convient en effet de limiter la durée d’émission d’un message afin de réduire le temps pendant lequel l’étiquette est active. D’autre part, pour une durée fixée d’émission d’un message, il convient de limiter l’énergie requise pour émettre ledit message.
Il apparaît que les solutions connues de l’art antérieur pour mettre en oeuvre un tel système de géolocalisation sont encore perfectibles, que ce soit au niveau de la consommation en énergie électrique requise pour l’émission d’un message ou bien au niveau de la précision de l’estimation de l’instant d’arrivée d’un message.
Exposé de l’invention
La présente invention a pour objectif de remédier à tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur, notamment ceux exposés ci-avant, en proposant une solution permettant d’une part de réduire la consommation électrique d’un dispositif émetteur lors de l’émission d’un message, et d’autre part d’optimiser le décodage du message et la précision de l’estimation de l’instant d’arrivée du message au niveau d’un dispositif récepteur.
Dans la suite de la description, on considère qu’un message correspond à une séquence de bits, ou à plusieurs séquences de bits de même longueur concaténées (des bits de bourrage pouvant être utilisés dans le cas où le nombre de bits codant l’information utile n’est pas un multiple de la longueur d’une séquence de bits).
Dans le cas où un message est formé par plusieurs séquences de bits concaténées, émission d’un message correspond à l’émission successive de toutes les séquences de bits formant le message. La détection de l’instant d’arrivée d’un message correspond à la détection de l’instant d’arrivée de la première séquence de bits formant le message.
Selon un premier aspect, il est proposé par la présente invention un procédé d’émission d’une séquence de bits à émettre à une fréquence fb. Pour ce procédé, un ensemble de codes a été préalablement déterminé, dans lequel chaque code est associé à une valeur possible d’un bloc de Nb bits, et chaque code comporte un ensemble ordonné de Ns symboles binaires destinés à être émis à une fréquence fs. Le procédé comporte :
- un découpage de la séquence de bits en N blocs de Nb bits, lesdits blocs étant ordonnés selon un ordre d’émission prédéterminé, la fréquence fs et les nombres N et Nb étant choisis de sorte que Ns x fb = N x Nb x fs,
- une association d’un code à chacun des N blocs en fonction de la valeur desdits blocs,
- un entrelacement des symboles binaires des N codes correspondant respectivement aux N blocs de bits à émettre, les symboles binaires entrelacés étant transmis successivement dans le temps avec une fréquence fc telle que N x fs = fc.
Il apparaît ainsi que les symboles entrelacés sont transmis à une fréquence fc N fois plus élevée que la fréquence fs à laquelle les symboles seraient transmis sans entrelacement (fs est la fréquence des symboles d’un code).
Les nombres N, Ns et Nb sont des entiers positifs. De préférence, le nombre Nb de bits dans chaque bloc est supérieur ou égal à deux.
De telles dispositions permettent d’augmenter le débit d’émission et par conséquence de réduire le temps nécessaire pour émettre un message. Cela permet alors de réduire la consommation électrique d’un dispositif émetteur mettant en oeuvre un tel procédé. De plus, le bruit global pour un système mettant en oeuvre plusieurs tels dispositifs émetteurs est réduit.
En outre, le procédé d’émission d’une séquence de bits selon l’invention permet d’optimiser la détection et la précision de l’estimation de l’instant d’arrivée de la séquence de bits au niveau d’un dispositif récepteur.
Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, l’invention peut comporter en outre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, l’ensemble des codes associés aux valeurs possibles d’un bloc de Nb bits comporte 2(Nb_1) codes principaux ainsi que les 2(Nb-1) codes inverses respectifs. Un symbole binaire d’un code inverse présente un état contraire à un état du symbole binaire de même rang du code principal respectif. De telles dispositions permettent de diviser par deux le nombre de calculs de corrélation à effectuer au niveau d’un dispositif récepteur pour décoder la séquence de bits.
Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, le code inverse au code normalement associé à la valeur d’un bloc de bits est utilisé pour encoder au moins un bloc de bits prédéterminé de la séquence de bits à émettre.
Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, le code inverse est utilisé à la place du code normalement associé à la valeur d’un bloc de bits pour un bloc de bits sur deux de la séquence de bits à émettre.
De telles dispositions permettent notamment de réduire la symétrie des symboles binaires émis lorsque plusieurs blocs ayant la même valeur doivent être émis successivement.
Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, le signal utilisé pour transmettre les symboles binaires est un signal ultra large bande de type « tout ou rien ». Les deux états possibles d’un symbole binaire correspondent alors respectivement à une présence ou une absence d’une impulsion.
Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, les codes déterminés présentent un niveau d’inter-corrélation deux à deux inférieur à 30% de Ns.
De telles dispositions permettent d’optimiser le décodage de la séquence de bits au niveau d’un dispositif récepteur à qui la séquence de bits émise est destinée.
Selon un deuxième aspect, la présente invention concerne un dispositif émetteur mettant en oeuvre un procédé d’émission d’une séquence de bits selon l’un quelconque des modes de mise en oeuvre précédents.
Selon un troisième aspect, la présente invention concerne un procédé d’estimation de l’instant d’arrivée d’une séquence de bits. La séquence de bits est émise selon un procédé correspondant à l’un quelconque des modes de mise en oeuvre précédents. Pour chaque code d’une partie au moins de l’ensemble de codes associés à une valeur possible d’un bloc de Nb bits, un calcul de corrélation est réalisé entre le signal transportant la séquence de bits et un signal de référence représentatif dudit code. L’instant d’arrivée de la séquence de bits est déterminé en fonction de N instants de détection respectifs de N pics de corrélation correspondants aux N différents blocs de bits transmis. De telles dispositions permettent d’optimiser la détection d’un pic de corrélation et la précision de l’estimation de l’instant d’arrivée de la séquence de bits au niveau d’un dispositif récepteur.
Selon un quatrième aspect, la présente invention concerne un dispositif récepteur mettant en oeuvre un procédé d’estimation de l’instant d’arrivée d’une séquence de bits selon l’un quelconque des modes de mise en oeuvre précédents.
Selon un cinquième aspect, la présente invention concerne un système de géolocalisation d’un dispositif émetteur selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents. Le système comporte une pluralité de dispositifs récepteurs selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.
Selon un sixième aspect, la présente invention concerne un tel système de géolocalisation dans lequel un dispositif émetteur est une étiquette destinée à être posée sur un objet à géolocaliser, et un dispositif récepteur est une balise générant un champ électromagnétique pour alimenter énergétiquement une étiquette. Le système de géolocalisation comporte en outre un serveur qui collecte les instants d’arrivée d’un message émis par une étiquette estimés par les différentes balises, et qui estime la position géographique de ladite étiquette en fonction des instants d’arrivée estimés et des positions géographiques des différentes balises.
Présentation des figures
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple nullement limitatif, et faite en se référant aux figures 1 à 9 qui représentent :
[Fig. 1 ] La figure 1 représente schématiquement un système de géolocalisation d’un dispositif émetteur.
[Fig. 2] La figure 2 représente schématiquement code utilisé pour encoder un bit d’une séquence de bits à émettre, ainsi que le signal associé.
[Fig. 3] La figure 3 représente schématiquement un signal de corrélation généré par un dispositif récepteur à partir d’un signal transportant une séquence de bits émise par un dispositif émetteur.
[Fig. 4] La figure 4 représente schématiquement les principales étapes d’un procédé d’émission d’une séquence de bits selon l’invention. [Fig. 5] La figure 5 représente schématiquement un entrelacement de symboles binaires formant des codes associés respectivement à des blocs de bits d’une séquence de bits à émettre.
[Fig. 6] La figure 6 représente schématiquement des symboles binaires entrelacés représentés à la figure 5, ainsi que le signal associé.
[Fig. 7] La figure 7 représente schématiquement un signal de corrélation généré par un dispositif récepteur à partir d’un signal transportant une séquence de bits émise selon le procédé d’émission selon l’invention.
[Fig. 8] La figure 8 représente un tableau représentant des codes associés aux différentes valeurs que peut prendre un bloc de quatre bits.
[Fig. 9] La figure 9 représente schématiquement un mode particulier de mise en oeuvre du procédé d’émission d’une séquence de bits selon l’invention.
Dans ces figures, des références identiques d’une figure à une autre désignent des éléments identiques ou analogues. Pour des raisons de clarté, les éléments représentés ne sont pas nécessairement à une même échelle, sauf mention contraire.
Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention
Tel qu’indiqué précédemment, la présente invention vise à proposer une solution permettant notamment de réduire la consommation électrique d’un dispositif émetteur lors de l’émission d’un message, ainsi qu’à optimiser le décodage du message et la précision de l’estimation de l’instant d’arrivée du message au niveau d’un dispositif récepteur. Un autre avantage de la solution proposée est d’augmenter le débit d’émission du message.
Dans la suite de la description, on se place de manière non limitative dans le cas d’un système de géolocalisation d’un dispositif émetteur d’un système de communication sans fil. Rien n’empêche cependant que l’invention trouve une application dans un autre domaine, dès lors qu’un message prenant la forme d’une ou plusieurs séquences de bits doit être émis par un dispositif émetteur.
La figure 1 représente schématiquement un tel système 10 de géolocalisation.
Le système 10 de géolocalisation comporte au moins un dispositif émetteur 1 1 , une pluralité de dispositifs récepteurs 12, ainsi qu’un serveur 13 relié aux différents dispositifs récepteurs.
Un message est émis par un dispositif émetteur 1 1 à destination de chaque dispositif récepteur 12 sous la forme d’un signal radio véhiculé sur un lien 14 de communication sans fil.
Par « signal radio », on entend une onde électromagnétique se propageant via des moyens non filaires, dont les fréquences sont comprises dans le spectre traditionnel des ondes radioélectriques (quelques hertz à plusieurs centaines de gigahertz).
Le dispositif émetteur 1 1 comporte des moyens de communication sans fil, considérés comme connus de l’homme de l’art, permettant au dispositif émetteur 1 1 d’émettre des messages sous la forme de signaux radioélectriques à destination des dispositifs récepteurs 12 du système 10 de géolocalisation. De tels moyens peuvent notamment comporter un processeur, un oscillateur local, des filtres analogiques et/ou numériques, un convertisseur numérique/analogique, un amplificateur de puissance, une antenne, etc.
De manière similaire, le dispositif récepteur 12 comporte des moyens de communication sans fil, considérés comme connus de l’homme de l’art, permettant au dispositif récepteur 12 de recevoir un message en provenance d’un dispositif émetteur 11 sous la forme de signaux radioélectriques. De tels moyens peuvent notamment comporter un processeur, un oscillateur local, des filtres analogiques et/ou numériques, un convertisseur analogique/numérique, un amplificateur faible bruit, une antenne, un démodulateur, un corrélateur, etc.
Un lien 15 de communication entre un dispositif récepteur 12 et le serveur 13 peut être un lien de communication filaire ou un lien de communication sans fil.
Dans la suite de la description, on se place de manière non limitative dans le cas où un dispositif émetteur 1 1 du système 10 de géolocalisation est une étiquette comportant une batterie qui se recharge à partir de l’énergie provenant de champs électromagnétiques environnants pour émettre un signal radio à destination de dispositifs récepteurs 12, dits « balises », positionnées à l’intérieur d’un hangar. Dans des modes particuliers de réalisation, les champs électromagnétiques permettant de recharger la batterie de l’étiquette sont générés par les balises elles- mêmes.
Le signal radio émis à destination des balises transporte par exemple un message correspondant à un identifiant de l’étiquette.
La consommation en énergie électrique de l’étiquette pour émettre un message dépend de la durée d’émission du message. En effet, plus la durée d’émission d’un message est courte, plus la période de temps pendant laquelle l’étiquette doit être dans un mode actif pour émettre le message est courte, et plus la consommation électrique de l’étiquette est réduite.
Chaque balise qui reçoit le message émis par l’étiquette estime alors un instant d’arrivée du message.
Le serveur 13 collecte l’ensemble des temps d’arrivée estimés par les différentes balises. En outre, le serveur 13 connaît les positions géographiques desdites balises.
Par des méthodes dites de « différences des temps d’arrivée » (« Time Différence Of Arrivai » ou TDOA dans la littérature anglo-saxonne), le serveur 13 est alors capable d’estimer la position géographique de l’étiquette.
La précision de l’estimation de la position géographique de l’étiquette dépend de la précision de l’estimation de l’instant d’arrivée du message par chaque balise.
Dans la suite de la description, on se place de manière non limitative dans le cas où le signal radio transmis par une étiquette du système 10 de géolocalisation est un signal ultra large bande.
Par «ultra large bande » (« Ultra Wide Band », encore désigné par l’acronyme UWB, dans la littérature anglo-saxonne), on fait référence à des signaux radioélectriques présentant un spectre fréquentiel supérieur à 500 mégahertz à -10 dB par rapport à la puissance maximale dudit spectre fréquentiel instantané, ou bien des signaux radioélectriques présentant un rapport largeur de bande sur fréquence centrale de 20 % ou plus.
Un signal UWB présente généralement des impulsions radio très courtes de l’ordre de la nanoseconde ou de quelques nanosecondes. La durée très faible de ces impulsions radio a pour conséquence que le signal UWB présente une bande passante très large avec une densité spectrale de puissance relativement faible. En raison de cette densité spectrale de puissance relativement faible, les signaux UWB peuvent partager le spectre radio avec des signaux radio d’autres systèmes de communication à bande plus étroite sans causer de problèmes d’interférence.
En outre, un signal UWB est relativement peu sensible au phénomène d’atténuation dû aux trajets multiples empruntés par une onde radio. Un signal UWB peut par conséquent fournir de bonnes résolutions spatiales et temporelles. En raison de sa durée très courte, une impulsion présente des fronts montant et descendant très rapides, ce qui permet de déterminer, au niveau d’un dispositif récepteur du signal UWB, un temps d’arrivée très précis d’une impulsion. Il est en outre possible de distinguer assez nettement le trajet le plus court des autres trajets empruntés par l’onde radio. Tout ceci concourt à optimiser une estimation de la position géographique d’un dispositif émettant un signal UWB à partir de l’instant d’arrivée dudit signal.
La figure 2 représente schématiquement comment un signal UWB transporte conventionnellement un bit d’un message.
Un code pseudo-aléatoire (« Pseudo-Noise Code » ou PN Code dans la littérature anglo-saxonne) connu à la fois par le dispositif émetteur 1 1 et par les dispositifs récepteurs 12 est utilisé pour encoder chaque bit du message.
Le code comporte un nombre Ns de symboles 20 binaires ordonnés. Chaque symbole 20 binaire peut prendre deux états possibles : un état ou son état contraire. A titre d’exemple nullement limitatif, et tel qu’illustré sur la figure 2, un état d’un symbole 20 binaire est représenté par la valeur 1 , et son état contraire est représenté par la valeur -1. Un symbole 20 binaire dans l’état représenté par la valeur 1 correspond par exemple à une présence d’une impulsion 21 sur le signal UWB. Un symbole 20 binaire dans l’état représenté par la valeur -1 correspond par exemple à une absence d’une impulsion 21 sur le signal UWB. On parle alors de modulation « tout ou rien » (« On Off Keying » ou OOK dans la littérature anglo- saxonne). La durée d’un symbole 20 binaire est noté Ts. La durée d’une impulsion 21 est notée Ti.
Tel qu’illustré sur la figure 2, chaque bit du message est modulé par le code. Un bit peut prendre la valeur 1 ou la valeur 0. Si le bit à émettre a pour valeur 1 , alors il est encodé par les Ns symboles 20 binaires du code. Si le bit à émettre a pour valeur 0, alors il est encodé par les Ns symboles 20 binaires du code inverse. Un symbole 20 binaire d’un code inverse prend un état contraire à l’état du symbole 20 binaire de même rang du code non inverse respectif.
Tel qu’illustré sur la figure 2, une impulsion 21 du signal UWB correspond à une période de temps de durée Ti pendant laquelle le signal est une porteuse sinusoïdale de fréquence f , le signal étant nul le reste du temps.
Dans l’exemple considéré, le nombre Ns de symboles binaires est égal à 128 ; la fréquence porteuse fP a pour valeur 4 GHz ; la durée Ti d’une impulsion 21 est de 2,5 ns ; la durée Ts d’un symbole binaires est de 160 ns, ce qui correspond à une fréquence fs d’émission de symboles binaires de 6,25 MHz. Le temps T’b pour émettre un bit est alors égal à Ns x Ts, soit 20,480 ps, ce qui correspond à une fréquence f’b d’émission de bits d’environ 48,83 kbits/s.
Comme un dispositif récepteur 12 connaît le code utilisé par le dispositif émetteur 1 1 pour moduler les bits du message à émettre, le dispositif récepteur 12 peut, de manière conventionnelle, décoder un message émis par le dispositif émetteur 1 1 en échantillonnant l’enveloppe d’impulsions 21 du signal transportant ledit message et en faisant une corrélation entre les échantillons obtenus et une séquence de référence représentative dudit code modulé par une enveloppe d’impulsions. Un échantillon prend par exemple la valeur 1 pour un instant d’échantillonnage compris dans une période Ti d’une impulsion 21 ; un échantillon prend par exemple la valeur -1 pour un instant d’échantillonnage compris en dehors d’une période Ti d’une impulsion 21.
La fréquence d’échantillonnage est notée fe. L’écart temporel entre deux échantillons est noté Te. Le nombre d’échantillons par symbole 20 binaire est noté Ne, ce nombre correspond au rapport entre la fréquence d’échantillonnage fe et la fréquence fs d’émission de symboles binaires. Dans l’exemple considéré, la fréquence d’échantillonnage fe vaut 500 MHz et le nombre Ne d’échantillons par symbole binaire vaut 80. La longueur de la séquence de référence est alors de 10 240 échantillons (128 x 80 = 10 240). La corrélation est réalisée sur une fenêtre glissante d’échantillons du signal reçu dont la longueur est égale à la longueur de la séquence de référence. La longueur de la séquence de référence a une durée de Ns x Ts = 20,48 ps.
Il convient de noter qu’une valeur de 500 MHz pour la fréquence d’échantillonnage fe n’est qu’un exemple. D’autres valeurs de fréquence d’échantillonnage peuvent être utilisées, comme par exemple un échantillonnage à 2 GHz, ce qui implique alors une séquence de référence de 40960 échantillons. Plus la fréquence d’échantillonnage fe est grande, plus la détection d’un message est fiable, et plus la précision de l’instant d’arrivée dudit message est grande.
La figure 3 représente schématiquement un signal de corrélation généré par un dispositif récepteur 12 à partir d’un signal transportant un message émis par un dispositif émetteur 1 1. Les valeurs de corrélation du signal sont représentées en ordonnée. Les instants d’échantillonnage sont représentés en abscisse. A un instant d’échantillonnage donné, plus le nombre d’échantillons de la fenêtre glissante identiques aux échantillons de la séquence de référence est grand, et plus la valeur de corrélation est grande. Une valeur de corrélation à un instant d’échantillonnage donné est par exemple calculée en multipliant la valeur de chaque échantillon de la fenêtre glissante avec la valeur de l’échantillon correspondant de la séquence de référence, et en additionnant les résultats obtenus pour tous les échantillons de la fenêtre glissante.
Un pic 30 de corrélation est atteint lorsque la valeur de corrélation à un instant d’échantillonnage est supérieure à un seuil S’ de corrélation prédéterminé. Un pic 30 de corrélation correspond à la détection d’un bit de valeur 1.
Un bit de valeur 0 peut être détecté lorsqu’une valeur de corrélation à un instant d’échantillonnage est négative avec une valeur absolue supérieure au seuil S’. Alternativement, un bit de valeur 0 peut être détecté en faisant une corrélation des échantillons du signal reçu avec une séquence de référence représentative du code inverse.
Il convient de choisir un niveau du seuil S’ suffisamment élevé de sorte à éviter la détection de faux pics 31 , 32 de corrélation. Il convient cependant aussi de choisir un niveau du seuil S’ suffisamment bas pour éviter de manquer une détection d’un pic 30 de corrélation (en sachant que le signal peut être perturbé par des interférences lors de sa transmission du dispositif émetteur 1 1 vers le dispositif récepteur 12 et que la valeur maximale possible de corrélation n’est pas conséquent pas forcément atteinte pour chaque bit du message). Plus le nombre Ns d’échantillons du code est grand, et plus la détection d’un pic 30 de corrélation sera aisée, car il est alors plus facile de discriminer un pic 30 de corrélation d’un faux pic 31 , 32 de corrélation. Cependant, le fait d’augmenter la longueur Ns du code a pour inconvénient d’allonger la durée d’émission d’un bit ainsi que la complexité des calculs de corrélation par le dispositif récepteur 12. Un autre inconvénient est que l’horloge de transmission doit être plus précise si la longueur Ns du code est plus grande.
L’instant d’arrivée d’un bit au niveau du dispositif récepteur 12 correspond à l’instant de détection d’un pic 30 de corrélation. Cependant, comme d’une part le rapport entre la fréquence d’échantillonnage fe et la fréquence fs d’émission de symboles 20 binaires n’est pas forcément une valeur entière, et comme d’autre part l’instant de réception du début d’un symbole 20 binaire n’est pas nécessairement aligné avec un instant d’échantillonnage, l’estimation de l’instant d’arrivée d’un bit peut présenter une erreur de précision égal à l’écart temporel Te entre deux échantillons.
La figure 4 représente schématiquement les principales étapes d’un procédé 100 d’émission d’une séquence de bits selon l’invention. Une telle séquence de bits peut correspondre à un message à émettre. Alternativement, un message à émettre peut correspondre à la concaténation de plusieurs séquences de bits de même longueur. Dans ce cas, pour émettre le message, il convient d’exécuter le procédé 100 d’émission d’une séquence de bits selon l’invention pour chaque séquence de bits formant le message. Comme cela sera expliqué par la suite, ce procédé 100 d’émission d’une séquence de bits vise à améliorer le débit d’émission des bits de la séquence ainsi qu’à optimiser la détection et la précision de l’estimation de l’instant de détection d’un pic de corrélation.
Le procédé 100 d’émission d’une séquence de bits est mis en oeuvre par un dispositif émetteur 1 1. Dans ce but, le dispositif émetteur 1 1 comporte par exemple un circuit de traitement (non représenté sur les figures), comportant un ou plusieurs processeurs et des moyens de mémorisation (par exemple une mémoire électronique) dans lesquels est mémorisé un produit programme d’ordinateur, sous la forme d’un ensemble d’instructions de code de programme à exécuter pour mettre en oeuvre les différentes étapes du procédé 100 d’émission d’une séquence de bits. Alternativement ou en complément, le circuit de traitement comporte un ou des circuits logiques programmables (FPGA, PLD, etc.), et/ou un ou des circuits intégrés spécialisés (ASIC), et/ou un ensemble de composants électroniques discrets, etc., adaptés à mettre en oeuvre tout ou partie desdites étapes du procédé 100 d’émission d’une séquence de bits.
En d’autres termes, le circuit de traitement comporte un ensemble de moyens configurés de façon logicielle (produit programme d’ordinateur spécifique) et/ou matérielle (FPGA, PLD, ASIC, composants électroniques discrets, etc.) pour mettre en oeuvre les étapes du procédé 100 d’émission d’une séquence de bits à destination d’un dispositif récepteur 12.
La séquence de bits est émise à une fréquence fb. Préalablement à la mise en oeuvre du procédé 100 d’émission de la séquence de bits, un ensemble de codes est déterminé. Chaque code est associé à une valeur possible d’un bloc de Nb bits, et chaque code comporte un ensemble ordonné de Ns symboles 20 binaires destinés à être émis à une fréquence fs. Le procédé 100 d’émission comporte :
- un découpage 101 de la séquence de bits en N blocs de Nb bits, lesdits blocs étant ordonnés selon un ordre d’émission prédéterminé, la fréquence fs et le nombres N et Nb étant choisis de telle sorte que Ns x fb = N x Nb x fs,
- une association 103 d’un code à chacun des N blocs de Nb bits en fonction de la valeur desdits blocs,
- un entrelacement 104 des symboles 20 binaires des N codes correspondant respectivement aux N blocs de bits à émettre, les symboles 20 binaires entrelacés étant transmis successivement dans le temps avec une fréquence fc telle que N x fs = fc, de telle sorte que le premier symbole 20 binaire du code associé au premier bloc de bits à émettre est émis en premier, suivi par le premier symbole 20 binaire du code associé au deuxième bloc, et ainsi de suite jusqu’au premier symbole 20 binaire du code associé au bloc de rang N ; puis le deuxième symbole 20 binaire du code associé au premier bloc, suivi du deuxième symbole 20 binaire du code associé au deuxième bloc, et ainsi de suite jusqu’au deuxième symbole 20 binaire du code associé au bloc de rang N ; et ainsi de suite jusqu’au symbole 20 binaire de rang Ns du code associé au premier bloc, suivi du symbole 20 binaire de rang Ns associé au deuxième bloc, et ainsi de suite jusqu’au symbole 20 binaire de rang Ns associé au bloc de rang N.
Les symboles 20 binaires des N codes correspondant respectivement aux N blocs de bits à émettre sont entrelacés dans le sens où les instants de début d’émission desdits symboles 20 binaires sont entrelacés. Les symboles 20 binaires entrelacés sont émis successivement avec un décalage temporel de valeur Tc = 1 /fc.
La figure 5 illustre schématiquement le procédé 100 pour l’émission d’une séquence 22 de seize bits.
La séquence 22 de seize bits est découpée en quatre blocs 23 comportant chacun quatre bits. Ainsi, dans l’exemple considéré et illustré à la figure 5, le nombre N de blocs 23 vaut 4 (N = 4), et le nombre Nb de bits par bloc 23 vaut quatre (Nb = 4). Chaque bloc 23 de quatre bits peut prendre seize valeurs (2Nb = 16). Seize codes pseudo-aléatoires différents sont alors déterminés et associés respectivement aux différentes valeurs possibles que peut prendre un bloc 23. Dans l’exemple considéré, un code est une séquence binaire de type M-séquence. Rien n’exclut cependant, suivant d’autres exemples, d’avoir une séquence pseudo aléatoire d’un autre type comme une séquence dite « Gold », ou une séquence dite de « Barker », ou une séquence dite de « Hadamard-Walsh », etc. Dans l’exemple considéré, le nombre Ns de symboles 20 binaires vaut 128 (Ns = 128).
Les codes pseudo-aléatoires peuvent avantageusement être choisis de sorte qu’ils présentent un niveau d’inter-corrélation deux à deux inférieur à 30% de Ns. De telles dispositions permettent notamment d’optimiser la détection d’un pic de corrélation. Tel qu’illustré à la figure 8, il est aussi possible de déterminer 2(Nb_1 ) codes principaux (soit huit codes principaux dans l’exemple considéré) ainsi que les 2(Nb_1) codes inverses respectifs afin de former un ensemble de 2Nb codes correspondant aux 2Nb valeurs possibles d’un bloc 23.
Les codes ainsi déterminés, ainsi que la table d’association entre une valeur possible du bloc 23 et un code, sont connus à la fois par le dispositif émetteur 1 1 et par les dispositifs récepteurs 12. La figure 8 représente une telle table d’association. La première colonne de cette table comporte les seize valeurs possibles (en format binaire) pouvant être prises par un bloc 23 de quatre bits, et la deuxième colonne de cette table comporte les codes associés respectivement à chacune de ces valeurs possibles.
Les Ns symboles 20 binaires des N codes correspondant respectivement aux valeurs des N blocs 23 de bits de la séquence 22 de bits à émettre sont alors entrelacés tel qu’illustré sur la figure 5.
Chaque symbole 20 binaire représenté sur la figure 5 comporte deux nombres. Le nombre du haut représente le rang du symbole 20 binaire parmi les Ns symboles 20 binaires ordonnés du code auquel il appartient. Le nombre du bas représente le rang du bloc 23 parmi les N blocs 23 ordonnés à émettre. Ainsi, un symbole 20 binaire pour lequel le couple (rang du symbole binaire, rang du bloc) vaut (1 , 1 ) correspond au premier symbole 20 binaire du code associé à la valeur du premier bloc 23. Le symbole 20 binaire (1 , 2) correspond au premier symbole 20 binaire du code associé à la valeur du deuxième bloc 23. Le symbole 20 binaire (1 , N) correspond au premier symbole 20 binaire du code associé à la valeur du bloc 23 de rang N, c’est-à-dire le dernier bloc 23 de la séquence 22 de bits à émettre. Le symbole 20 binaire (2, 1 ) correspond au deuxième symbole 20 binaire du code associé à la valeur du premier bloc 23. Le symbole 20 binaire (2, 2) correspond au deuxième symbole 20 binaire du code associé à la valeur du deuxième bloc 23. Le symbole 20 binaire (2, N) correspond au deuxième symbole 20 binaire du code associé à la valeur du deuxième bloc 23. Le symbole 20 binaire (Ns, 1 ) correspond au symbole 20 binaire de rang Ns, c’est-à-dire le dernier symbole 20 binaire, du code associé à la valeur du premier bloc 23. Le symbole 20 binaire (Ns, 2) correspond au symbole 20 binaire de rang Ns du code associé à la valeur du deuxième bloc 23. Le symbole 20 binaire (Ns, N) correspond au dernier symbole 20 binaire du code associé à la valeur du dernier bloc 23 à émettre.
Les symboles 20 binaires du code associé à la valeur du premier bloc 23 sont alors les symboles 20 binaires (1 , 1 ), (2, 1 ), ..., (Ns, 1 ). Les symboles 20 binaires du code associé à la valeur du deuxième bloc 23 sont alors les symboles 20 binaires (1 , 2), (2, 2), ..., (Ns, 2). Les symboles 20 binaires du code associé à la valeur du troisième bloc 23 sont alors les symboles 20 binaires (1 , 3), (2, 3), ..., (Ns, 3). Les symboles 20 binaires du code associé à la valeur du dernier bloc 23 à émettre (c’est-à-dire le bloc 23 de rang N) sont alors les symboles 20 binaires (1 , N), (2, N), ..., (Ns, N).
Sur la figure 5, l’ordre dans lequel les symboles 20 binaires entrelacés sont transmis est représenté de gauche à droite.
Les symboles 20 binaires appartenant a un même code sont émis à une fréquence fs. La durée d’un symbole 20 binaire est Ts = 1 /fs. Les symboles 20 binaires entrelacés sont émis quant à eux à une fréquence fc = N x fs. Cela signifie que l’écart temporel entre deux symboles 20 binaires entrelacés est Tc = 1 /fc. Dans l’exemple considéré, la fréquence fc d’émission des symboles 20 binaires entrelacés est de 25 MHz et l’écart temporel Tc entre deux symboles 20 binaires entrelacés est de 40 ns. La figure 6 est une autre représentation schématique des symboles 20 binaires entrelacés représentés à la figure 5, ainsi que le signal associé. Dans l’exemple considéré, à chaque symbole 20 binaire entrelacé correspond soit une présence d’une impulsion 21 (si le symbole prend un état représenté par la valeur 1 ), soit une absence d’une impulsion (si le symbole prend un état représenté par la valeur -1 ).
Il apparaît sur la figure 6 que l’entrelacement des symboles 20 binaires est effectué avec un chevauchement des symboles 20 binaires. En particulier, les symboles binaires présentant un même rang de symbole et des rangs de bloc différents se chevauchent. Par exemple, et tel qu’illustré sur la figure 6, les symboles 20 binaires (1 , 1 ), (1 , 2), (1 , 3) et (1 , 4) se chevauchent, c’est-à-dire qu’ils ont une période de temps commune.
Le nombre N de blocs 23 en lequel la séquence 22 de bits à émettre est découpé est choisi de sorte que l’écart temporel Tc entre deux symboles 20 binaires entrelacés est supérieur à la durée Ti d’une impulsion 21. Ainsi, deux impulsions 21 de deux codes distincts ne pourront pas se chevaucher. Aussi, une impulsion 21 d’un code ne pourra pas chevaucher une absence d’impulsion 21 d’un autre code.
Il apparaît alors, au regard des figures 5 et 6, que le temps nécessaire pour émettre tous les N x Nb bits de la séquence 22 est égal à Ns x Ts. Autrement dit, le temps Tb pour émettre un bit de la séquence 22 est égal à :
[Math. 1 ]
Ns
Tb = x Ts
Nb X N
Ce qui signifie également que la fréquence fb d’émission de bits est (Nb x N) fois plus grande que la fréquence fb d’émission de bits d’un procédé conventionnel tel que décrit en référence aux figures 2 et 3. Dans l’exemple considéré, cela signifie que le procédé 100 d’émission d’une séquence 22 de bits selon l’invention permet une multiplication par seize (Nb x N = 16) du débit binaire pour l’émission d’une séquence 22 de bits. La fréquence fb d’émission de bits vaut alors 781 ,25 kb/s.
Dans l’exemple considéré, le temps nécessaire pour émettre une séquence 22 de bits est ainsi divisé par seize par rapport à un procédé conventionnel tel que décrit en référence à la aux figures 2 et 3. Dans l’exemple considéré, le temps pour émettre un message comportant un identifiant de quatre-vingt-seize bits formé par quatre séquences 22 de seize bits est d’environ 123 ps. Le temps nécessaire pour envoyer un tel message comportant un identifiant de quatre-vingt-seize bits avec une méthode telle que décrite en référence à aux figures 2 et 3 est environ égal à 2 ms. Le procédé 100 selon l’invention permet ainsi de considérablement réduire le temps pendant lequel le dispositif émetteur 1 1 doit être actif pour émettre le message. En outre, le nombre d’impulsions 21 à générer pour encoder un message est également divisé en moyenne par le nombre Nb de bits que comporte un bloc 22 (soit une division par quatre dans l’exemple considéré). Tout ceci concourt à limiter drastiquement la consommation électrique du dispositif émetteur 1 1 lors de l’émission d’un message.
Un autre avantage résultant de la réduction du temps d’émission d’un message par un dispositif émetteur 1 1 est une réduction du bruit pour le système global. En effet, deux messages émis à des instants aléatoires par deux dispositifs émetteurs 1 1 du système 10 de géolocalisation ont une probabilité plus faible d’être émis en même temps si le temps d’émission d’un message est plus court. Les interférences causées par des émissions simultanées de messages sont alors diminuées.
Un dispositif récepteur 12 connaît l’ordre d’émission des N blocs 23 d’une séquence 22 de bits émise par un dispositif émetteur 11 , ainsi que les codes utilisés et la table d’association desdits codes aux différentes valeurs possibles d’un bloc 23.
Le dispositif récepteur 12 est alors capable de décoder une séquence 22 de bits émise par un dispositif émetteur 1 1 en échantillonnant l’enveloppe d’impulsions 21 du signal transportant ladite séquence 22 de bits et en faisant, pour chacun des 2Nb codes utilisés, une corrélation entre les échantillons obtenus et une séquence de référence représentative dudit code modulé par une enveloppe d’impulsions. Dans l’exemple considéré, un échantillon prend la valeur 1 pour un instant d’échantillonnage compris dans une période Ti d’une impulsion 21 ; un échantillon prend la valeur -1 pour un instant d’échantillonnage compris en dehors d’une période Ti d’une impulsion 21.
La fréquence d’échantillonnage est notée fe. L’écart temporel entre deux échantillons est noté Te. Le nombre d’échantillons par symbole 20 binaire est noté Ne, ce nombre correspond au rapport entre la fréquence d’échantillonnage fe et la fréquence fs d’émission de symboles 20 binaires. Dans l’exemple considéré, la fréquence d’échantillonnage fe vaut 500 MHz et le nombre Ne d’échantillons par symbole 20 binaire vaut 80. La longueur de la séquence de référence d’un code est alors de 10 240 échantillons.
Chacune des 2Nb corrélations sont réalisées sur une fenêtre glissante d’échantillons du signal reçu dont la longueur est égale à la longueur de la séquence de référence. A un instant d’échantillonnage donné, plus le nombre d’échantillons de la fenêtre glissante identiques aux échantillons de la séquence de référence d’un code est grand, et plus la valeur de corrélation est grande pour ce code. Une valeur de corrélation pour un code donné à un instant d’échantillonnage donné est par exemple calculée en multipliant la valeur de chaque échantillon de la fenêtre glissante avec la valeur de l’échantillon correspondant de la séquence de référence dudit code, et en additionnant les résultats obtenus pour tous les échantillons de la fenêtre glissante.
A chaque instant d’échantillonnage correspond ainsi 2Nb valeurs de corrélation. Il est alors possible de générer un signal de corrélation représentant à chaque instant d’échantillonnage la plus grande valeur de corrélation parmi les 2Nb valeurs de corrélation calculées pour les 2Nb codes.
Il convient de noter qu’il n’est pas nécessaire de désentrelacer les symboles 20 binaires reçus avant d’effectuer les corrélations.
La figure 7 représente schématiquement un tel signal de corrélation généré par un dispositif récepteur 12 à partir d’un signal transportant une séquence 22 de bits émise par un dispositif émetteur 11. Les valeurs de corrélation du signal sont représentées en ordonnée. Les instants d’échantillonnage sont représentés en abscisse.
Il apparaît alors qu’une séquence 22 de (N x N b) bits peut être détectée par la présence de N pics 41 , 42, 43, 44 de corrélation successifs espacés d’un écart temporel environ égal à Tc. Chaque pic 41 , 42, 43, 44 de corrélation correspond à un des N blocs 23 en lesquels la séquence 22 de bits a été découpée. Un pic 41 , 42, 43, 44 de corrélation est atteint par exemple lorsque la valeur de corrélation à un instant d’échantillonnage est supérieure à un seuil S de corrélation prédéterminé.
Il apparaît également que le niveau du seuil S de corrélation peut prendre une valeur nettement plus faible que le niveau du seuil S’ de corrélation pour une méthode conventionnelle telle que décrit en référence aux figures 2 et 3. En effet, même si certains instants d’échantillonnage présentent des valeurs de corrélation supérieures au seuil S de corrélation, comme c’est le cas par exemple pour les faux pics 45, 46 de corrélation représentés sur la figure 7, un pic de corrélation ne sera pas détecté pour ces instants d’échantillonnage car il n’y a pas la présence de N pics 41 , 42, 43, 44 de corrélation successifs séparés d’un écart temporel environ égal à Tc pour ces instants d’échantillonnage.
Il convient de noter que l’écart temporel entre deux pics successifs parmi les N pics 41 , 42, 43, 44 de corrélation n’est pas forcément exactement égal à Tc. En effet, le rapport entre la fréquence d’échantillonnage fe et la fréquence fs d’émission de symboles 20 binaires n’est pas forcément une valeur entière. En outre, l’instant de réception du début d’un symbole 20 binaire n’est pas forcément aligné avec un instant d’échantillonnage. Dans l’exemple considéré, où le rapport entre fe et fs est une valeur entière, on peut néanmoins considérer que l’écart temporel entre deux pics successifs parmi les N pics 41 , 42, 43, 44 de corrélation est compris entre (Tc - Te) et (Tc + Te).
Un dispositif récepteur 12 peut alors avantageusement mettre en oeuvre un procédé d’estimation de l’instant d’arrivée d’une séquence 22 de bits émise par un dispositif émetteur 1 1 dans lequel l’instant d’arrivée de la séquence de bits est déterminé en fonction des N instants de détection respectifs de N pics 41 , 42, 43, 44 de corrélation des N différents blocs 23 de bits transmis. Si la séquence 22 de bits correspond à un message, l’instant d’arrivée du message correspond à l’instant d’arrivée de la séquence 22 de bits. Si un message correspond à plusieurs séquences 22 de bits concaténées, l’instant d’arrivée du message correspond à l’instant d’arrivée de la première séquence 22 de bits.
Le dispositif récepteur 12 comporte par exemple un circuit de traitement (non représenté sur les figures), comportant un ou plusieurs processeurs et des moyens de mémorisation (par exemple une mémoire électronique) dans lesquels est mémorisé un produit programme d’ordinateur, sous la forme d’un ensemble d’instructions de code de programme à exécuter pour mettre en oeuvre les différentes étapes du procédé d’estimation de l’instant d’arrivée d’une séquence 22 de bits. Alternativement ou en complément, le circuit de traitement comporte un ou des circuits logiques programmables (FPGA, PLD, etc.), et/ou un ou des circuits intégrés spécialisés (ASIC), et/ou un ensemble de composants électroniques discrets, etc., adaptés à mettre en oeuvre tout ou partie desdites étapes du procédé d’estimation de l’instant d’arrivée d’une séquence 22 de bits.
En d’autres termes, le circuit de traitement comporte un ensemble de moyens configurés de façon logicielle (produit programme d’ordinateur spécifique) et/ou matérielle (FPGA, PLD, ASIC, composants électroniques discrets, etc.) pour mettre en oeuvre les étapes du procédé d’estimation de l’instant d’arrivée d’une séquence 22 de bits émise par un dispositif émetteur 1 1.
Par exemple, l’estimation de l’instant d’arrivée de la séquence 22 de bits peut être déterminée en moyennant le nombre d’échantillons séparant deux pics successifs parmi les N pics 41 , 42, 43, 44 de corrélation. Si ce nombre moyen calculé est supérieur à l’écart théorique attendu valant Ne / N, alors cela signifie que l’instant d’arrivée de la séquence 22 de bits est ultérieur à l’instant d’échantillonnage correspondant au premier pic 41 de corrélation. Inversement, si ce nombre moyen calculé est inférieur à l’écart théorique attendu valant Ne / N, alors cela signifie que l’instant d’arrivée de la séquence 22 de bits précède l’instant d’échantillonnage correspondant au premier pic 41 de corrélation. Il est alors par exemple possible de décaler l’instant d’arrivée estimé de la séquence 22 de bits d’une valeur Te / (N - 1 ) avant ou après l’instant d’échantillonnage du premier pic 41 de corrélation parmi les N pics 41 , 42, 43, 44 de corrélation détectés. L’estimation de l’instant d’arrivée d’une séquence 22 de bits est alors plus précise que celle décrite en référence à la figure 3.
L’ensemble des 2Nb codes peut avantageusement comporter 2(Nb_1) codes principaux (soit huit codes principaux dans l’exemple considéré) ainsi que leurs 2(Nb 1> codes inverses respectifs. Cela peut en effet avantageusement permettre de se contenter de faire des corrélations pour les 2(Nb_1 ) codes principaux et de diviser ainsi par deux le nombre de corrélations à effectuer à chaque instant d’échantillonnage. Il convient dans ce cas de considérer à chaque échantillonnage la valeur de corrélation la plus grande en valeur absolue parmi les 2(Nb 1> valeurs de corrélation calculées pour les différents codes principaux. Si cette valeur est positive, cela signifie que la valeur de corrélation calculée correspond potentiellement à la détection d’un bloc 23 dont la valeur est celle associée au code principal utilisé pour ce calcul de corrélation. Si cette valeur est négative, cela signifie que la valeur de corrélation calculée correspond potentiellement à la détection d’un bloc 23 dont la valeur est celle associée au code inverse du code principal utilisé pour ce calcul de corrélation.
Lorsque N pics 41 , 42, 43, 44 de corrélation successifs séparés d’un écart temporel environ égal à Tc (avec une précision de +/- Te) sont détectés par le dispositif récepteur 12, il est alors possible de reconstruire la séquence 22 de bits émise par le dispositif émetteur 1 1 . En effet, chacun des N pics 41 , 42, 43, 44 successifs correspond respectivement à un bloc 23 de Nb bits dont la valeur est celle associée au code utilisé pour le calcul de corrélation correspondant (ou éventuellement au code inverse du code utilisé pour ce calcul de corrélation). Comme le dispositif récepteur 12 connaît dans quel ordre sont émis les blocs 23 d’une séquence 22 de bits correspondant à un message, il est possible pour le dispositif récepteur 12 de reconstruire la séquence 22 de bits émise par le dispositif émetteur 1 1 . Si un message est formé par plusieurs séquences 22 de bits, le dispositif récepteur 12 peut reconstruire le message en concaténant les différentes séquences 22 de bits obtenues.
Dans des modes particuliers de mise en oeuvre du procédé 100 d’émission d’une séquence 22 de bits, le code inverse au code normalement associé à la valeur d’un bloc 23 de bits est utilisé pour encoder au moins un bloc 23 de bits prédéterminé de la séquence 22 de bits à émettre.
Dans un mode préféré de mise en oeuvre du procédé 100 d’émission, et tel qu’illustré sur la figure 9, le code inverse est utilisé à la place du code normalement associé à la valeur d’un bloc 23 de bits pour un bloc 23 de bits sur deux de la séquence 22 de bits à émettre.
Dans l’exemple illustré à la figure 9, il y a quatre blocs 23 à émettre. Chaque bloc 23 comporte quatre bits. Le code utilisé pour encoder le premier bloc 23 ( Bloc # 1 ) ayant pour valeur Val1 est le code de la table d’association représentée à la figure 8 associé à la valeur Val1. Le code utilisé pour encoder le deuxième bloc 23 ( Bloc #2) ayant pour valeur Val2 est le code inverse au code associé à la valeur Val2. Le code utilisé pour encoder le troisième bloc 23 ( Bloc #3) ayant pour valeur Val3 est le code associé à la valeur Val3. Le code utilisé pour encoder le quatrième bloc 23 ( Bloc #4) ayant pour valeur Val4 est le code inverse au code associé à la valeur Val4.
De telles dispositions permettent notamment de réduire la symétrie des symboles 20 binaires émis lorsque plusieurs blocs 23 ayant la même valeur doivent être émis successivement. C’est le cas par exemple lorsque plusieurs blocs 23 ont pour valeur zéro. Plutôt que d’encoder tous les blocs 23 successifs dont la valeur est zéro avec un seul et même code, un bloc 23 sur deux sera encodé avec le code associé à la valeur zéro, et un bloc 23 sur deux sera encodé avec le code inverse au code associé à la valeur zéro.
Limiter la symétrie des symboles 20 binaires émis permet avantageusement d’éviter la génération de « raies » dans le spectre. La sensibilité au bruit est alors améliorée et la puissance d’émission permise est augmentée.
La description ci-avant illustre clairement que, par ses différentes caractéristiques et leurs avantages, la présente invention atteint les objectifs fixés.
En particulier, et comme cela a été démontré dans la description ci-avant, le procédé 100 d’émission d’une séquence 22 de bits selon l’invention permet une multiplication du débit d’émission par le nombre Nb de bits compris dans un bloc 23 et par le nombre N de blocs 23 en lequel la séquence 22 de bits est découpée. Le débit est ainsi multiplié par Nb x N par rapport à une méthode conventionnelle d’émission telle que décrite en référence aux figures 2 et 3.
Le temps nécessaire pour émettre un message correspondant à une séquence 22 de bits ou à plusieurs séquences 22 de bits de même longueur est alors réduit d’autant. Cela signifie que la période de temps pendant laquelle un dispositif émetteur 1 1 doit être dans un mode actif pour émettre un message est elle aussi réduite par un facteur égal à Nb x N.
En outre, le nombre d’impulsions 21 nécessaires pour encoder un message est divisé en moyenne par le nombre Nb de bits compris dans un bloc 23.
Tout ceci concourt à limiter drastiquement la consommation électrique du dispositif émetteur 1 1 lors de l’émission d’un message.
Un autre avantage résultant de la réduction du temps d’émission d’un message par un dispositif émetteur 1 1 est une réduction du bruit pour le système global. En effet, deux messages émis à des instants aléatoires par deux dispositifs émetteurs 1 1 du système 10 de géolocalisation ont une probabilité plus faible d’être émis en même temps si le temps d’émission d’un message est plus court. Les interférences causées par des émissions simultanées de messages sont alors diminuées.
Emettre une séquence 22 de bits selon un procédé 100 d’émission selon l’invention permet en outre d’optimiser, au niveau d’un dispositif récepteur 12, la détection et la précision de l’estimation de l’instant de détection d’un pic de corrélation.
Il a en effet été démontré dans la description ci-avant que la discrimination entre un vrai pic 41 , 42, 43, 44 de corrélation et un faux pic 45, 46 de corrélation est facilitée par la présence, à l’arrivée d’une séquence 22 de bits émise par un dispositif émetteur 1 1 et reçu par un dispositif récepteur 12, de N pics 41 , 42, 43, 44 de corrélation consécutifs espacés d’un écart temporel proche de l’écart temporel Tc séparant deux symboles 20 binaires entrelacés. Le niveau du seuil S de corrélation peut alors prendre une valeur nettement plus faible que le niveau du seuil S’ de corrélation pour une méthode conventionnelle telle que décrit en référence aux figures 2 et 3.
La sensibilité du corrélateur du dispositif récepteur 12 est améliorée, comme si le dispositif récepteur 12 utilisait virtuellement des codes de longueur N x Ns symboles 20 binaires (au lieu de codes de longueur Ns symboles 20 binaires). Plus la longueur d’un code est grande, et plus la valeur d’un pic de corrélation est discriminante par rapport à une valeur moyenne d’un signal de corrélation.
Le découpage 101 d’une séquence 22 en N blocs 23 de Nb bits et l’entrelacement 104 des symboles 20 binaires des codes correspondant respectivement auxdits N blocs 23 permet de limiter le nombre de codes à utiliser et le nombre de calculs de corrélation à effectuer au niveau du dispositif récepteur 12. En effet, comme cela a été expliqué ci-avant, pour décoder une séquence 22 de bits émis avec le procédé 100 d’émission selon l’invention, il peut suffire, au niveau d’un dispositif récepteur 12, de faire des corrélations pour 2(Nb_1) codes. En revanche, avec une méthode sans découpage ni entrelacement, il faudrait déterminer 2NxNb codes présentant des niveaux d’inter-corrélation satisfaisants et effectuer 2NxNb corrélations pour décoder la séquence 22 de bits. Dans l’exemple considéré où N = Nb = 4, l’invention permet de se contenter de huit codes et huit calculs de corrélation à chaque instant d’échantillonnage, alors qu’il faudrait utiliser 32 768 codes et autant de calculs de corrélation à chaque instant d’échantillonnage pour une méthode sans découpage ni entrelacement.
Un dispositif récepteur 12 peut en outre avantageusement mettre en oeuvre un procédé d’estimation de l’instant d’arrivée d’une séquence 22 de bits émis par un dispositif émetteur 1 1 dans lequel l’instant d’arrivée de la séquence 22 de bits est déterminé en fonction des N instants de détection respectifs de N pics 41 , 42, 43, 44 de corrélation des N différents blocs 23 de bits transmis. L’estimation de l’instant d’arrivée d’une séquence 22 de bits est alors plus précise que celle décrite en référence à la figure 3.
De manière plus générale, il est à noter que les modes de mise en oeuvre et de réalisation considérés ci-dessus ont été décrits à titre d’exemples non limitatifs, et que d’autres variantes sont par conséquent envisageables.
L’invention a été décrite en considérant un système 10 de géolocalisation d’un dispositif émetteur 1 1 basé sur des calculs de différence de temps d’arrivée d’un message émis par ledit émetteur 1 1 et reçu par des dispositifs récepteurs 12. Rien n’exclut cependant, que l’invention puisse s’appliquer à d’autres systèmes. Notamment, le procédé 100 d’émission d’un message selon l’invention trouve un intérêt dès lors qu’il est avantageux d’augmenter le débit d’émission de bits par un dispositif émetteur 1 1 . L’invention a également été décrite en considérant qu’un message émis par un dispositif émetteur 1 1 est transporté par un signal radio à ultra large bande de type « tout ou rien » (un symbole 20 binaire étant représenté par la présence ou l’absence d’une impulsion 21 ). Rien n’exclut cependant, que l’invention puisse s’appliquer à d’autres types de modulation, comme par exemple une modulation à décalage de temps d’une impulsion (« time-shift modulation »), une modulation de la forme d’une amplitude (« flip modulation »), etc. Rien n’exclut non plus que l’invention puisse s’appliquer à d’autres types de signaux, notamment des signaux dont la largeur de bande est plus faible, ou à d’autres modulations, comme par exemple des modulations d’amplitude, de fréquence ou de phase.

Claims

Revendications
1. Procédé (100) d’émission d’une séquence (22) de bits à émettre à une fréquence fb avec un signal ultra large bande de type « tout ou rien » transportant des symboles (20) binaires, les deux états possibles d’un symbole (20) binaire correspondant respectivement à une présence ou à une absence d’une impulsion (21 ), ledit procédé (100) étant caractérisé en ce que un ensemble de codes est préalablement déterminé, chaque code étant associé à une valeur possible d’un bloc (23) de Nb bits, chaque code comportant un ensemble ordonné de Ns symboles (20) binaires destinés à être émis à une fréquence fs, et ledit procédé (100) comporte :
- un découpage (101 ) de la séquence (22) de bits en N blocs (23) de Nb bits, lesdits blocs (23) étant ordonnés selon un ordre d’émission prédéterminé, la fréquence fs et les nombres N et Nb étant choisis de sorte que Ns x fb = N x Nb x fs,
- une association (103) d’un code à chacun des N blocs (23) en fonction de la valeur desdits blocs (23),
- un entrelacement (104) des symboles (20) binaires des N codes correspondant respectivement aux N blocs (23) de bits à émettre, les symboles (20) binaires entrelacés étant transmis successivement dans le temps avec une fréquence fc telle que N x fs = fc.
2. Procédé (100) selon la revendication 1 dans lequel l’ensemble des codes associés aux valeurs possibles d’un bloc (23) de Nb bits comporte 2(Nb 1> codes principaux ainsi que les 2(Nb_1) codes inverses respectifs, un symbole (20) binaire d’un code inverse présentant un état contraire à un état du symbole (20) binaire de même rang du code principal respectif.
3. Procédé (100) selon la revendication 2 dans lequel le code inverse au code normalement associé à la valeur d’un bloc (23) de bits est utilisé pour encoder au moins un bloc (23) de bits prédéterminé de la séquence (22) de bits à émettre.
4. Procédé (100) selon la revendication 3 dans lequel le code inverse est utilisé à la place du code normalement associé à la valeur d’un bloc (23) de bits pour un bloc (23) de bits sur deux de la séquence (22) de bits à émettre.
5. Procédé (100) selon l’une des revendications 1 à 4 dans lequel les codes déterminés présentent un niveau d’inter-corrélation deux à deux inférieur à 30% de Ns.
6. Dispositif émetteur (1 1 ) mettant en oeuvre un procédé (100) d’émission d’une séquence (22) de bits selon l’une des revendications 1 à 5.
7. Procédé d’estimation de l’instant d’arrivée d’une séquence (22) de bits, caractérisé en ce que :
- la séquence (22) de bits est transmise selon un procédé (100) selon l’une des revendications 1 à 5,
- pour chaque code d’une partie au moins de l’ensemble de codes associés à une valeur possible d’un bloc (23) de Nb bits, un calcul de corrélation est réalisé entre le signal transportant la séquence (22) de bits et un signal de référence représentatif dudit code,
- l’instant d’arrivée de la séquence (22) de bits est déterminé en fonction de N instants de détection respectifs de N pics (41 , 42, 43, 44) de corrélation correspondants aux N différents blocs (23) de bits transmis.
8. Dispositif récepteur (12) mettant en oeuvre un procédé d’estimation de l’instant d’arrivée d’une séquence (22) de bits selon la revendication 7.
9. Système (10) de géolocalisation d’un dispositif émetteur (1 1 ) selon la revendication 6 comportant une pluralité de dispositifs récepteurs (12) selon la revendication 8.
10. Système (10) de géolocalisation selon la revendication 9 dans lequel un dispositif émetteur (1 1 ) est une étiquette destinée à être posée sur un objet à géolocaliser, et un dispositif récepteur (12) est une balise générant un champ électromagnétique pour alimenter énergétiquement une étiquette, le système (10) de géolocalisation comportant en outre un serveur (13) qui collecte les instants d’arrivée d’un message émis par une étiquette estimés par les différentes balises, et qui estime la position géographique de ladite étiquette en fonction des instants d’arrivée estimés et des positions géographiques des différentes balises.
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