La Fondation Saint-Cyr dans le cadre de ses actions de recherche soutient un projet qui se révèle être particulièrement prometteur pour la sécurité civile et militaire des communications : l’augmentation du débit numérique des liaisons radio gamme HF 3-30 MHz.
La bande de fréquences HF (3-30 MHz) autorise la mise en œuvre de radiocommunications à longue portée (via l'ionosphère) atteignant plusieurs milliers de kilomètres mais au prix d'un débit numérique limité, cantonnant la transmission au texte et à la phonie pour les équipements actuellement en service.
Le projet vise à augmenter significativement la capacité des liaisons HF afin d'offrir de nouveaux services aux utilisateurs comme la transmission d'images fixes (cartes « terrain » annotées) ou lentement animées sans recours au satellite. L'innovation technologique majeure consiste à transposer une technologie civile (communication sans fil multi-voies pour réseaux indoor) dans une gamme de fréquences très différente.
L'idée novatrice du projet part du constat que, dans les architectures multi-voies MIMO (multiple input multiple output), les espacements habituellement requis entre les antennes d'émission (de l'ordre d'une vingtaine de longueurs d'onde) sont incompatibles avec un déploiement réaliste en gamme HF à moins de disposer d'un terrain de plusieurs kilomètres. Nous proposons donc de recourir à la diversité des polarisations émises pour assurer une bonne décorrélation des réponses impulsionnelles du canal tout en réduisant la diversité spatiale.
Les premiers résultats de simulations sont très encourageants puisque ils indiquent, dans le cas MIMO 2x2 (2 voies d'émission et 2 voies de réception) un gain de capacité, par rapport à la classique solution SISO (single input single output) atteignant 1.84, le maximum théorique étant de 2. Ce résultat est atteint en émettant 2 polarisations circulaires complémentaires présentant par ailleurs l'avantage d'une conformation assez simple.
La suite de l'étude a porté sur le choix d'une forme d'onde et sur le protocole de transmission. Alors que la tendance actuelle est de privilégier les modulations à porteuses multiples dans les nouveaux systèmes de télécommunications, l'équipe projet a fait d'emblée le choix inverse d'une porteuse unique. En effet, dans le contexte HF, les puissances émises sont très élevées (700W moyens prévus pour chaque voie). Or les émissions multi-porteuses présentent une puissance crête dépassant dans certains cas la puissance moyenne d'un facteur 5 à 8 : ce point caractéristique risque de provoquer la destruction des équipements.
Les simulations associées ont permis de préciser la structure des blocs de données transmises, le dimensionnement de l'apprentissage du canal en rapport avec la durée de stationnarité estimée de l'ionosphère et la nature des séquences de données ad hoc fournissant une estimation fiable du canal ...
Conjointement, les différents modules de traitement du signal en réception ont été étudiés afin de préparer l'exploitation des acquisitions qui seront saisies sur la future maquette. Les traitements correspondants concernent principalement la synchronisation en temps des blocs de données, l'égalisation multi-voies dans le domaine fréquentiel, la synchronisation en phase en sortie de l'égaliseur.
Il ressort des simulations intégrant différentes réalisations de canaux ionosphériques que le débit de 82.5 kbits/s peut être atteint avec un taux d'erreur binaire (T.E.B.) de 10-3 pour un rapport signal sur bruit (S/B) minimal variant de 16.8 à 23.3 dB selon la liaison envisagée et ce pour une modulation MAQ 64. Ces exigences en termes de rapport S/B étant réalistes, on peut espérer tenir l'objectif initial des 64 kbits/s avec un T.E.B. compatible avec une bonne qualité de service.
Ces travaux ont fait l'objet d'une publication à la conférence « Ionospheric Radio Systems and Techniques 2009 » qui est l'événement européen majeur en matière de radio communications par voie ionosphérique. Deux autres articles sont en cours de rédaction.
Ces résultats prometteurs devront être confrontés aux expérimentations qui seront menées dans le cadre d'un partenariat avec la société Thales Communications. La poursuite du projet concerne le développement et le design de la maquette d'émission à 2 voies, la réalisation d'un système d'antennes excitant les polarisations souhaitées et l'adaptation d'un système de réception multi-voies existant au contexte MIMO.
Professeur Yvon Ehrel, directeur du Laboratoire des Sciences de l'ingénieur - CREC Saint-Cyr
