CE22 - Sociétés urbaines, territoires, constructions et mobilité

Communications sans fil en gamme millimétrique pour le ferroviaire – mmW4Rail

Ondes millimétriques pour le ferroviaire

La rareté du spectre est une contrainte pour le rail. Deq bandes étroites sont allouées dans les bandes 900 et 1900 MHz. Cela motive l'exploration des bandes mm dans les développements 5G pour répondre à des besoins spécifiques. Ceci est prévu dans des zones bien définies (gares, triages, lignes à grande vitesse) et pour des cas d'usage spécifiques tels que l'accouplement virtuel des trains, le platooning, la conduite à distance des trains, le téléchargement des données de maintenance, etc.

Enjeux et Objectifs

Le projet mmW4Rail se concentre sur trois sujets de recherche dans la bande millimétrique : caractérisation et modélisation des canaux radio pour des scénarios ferroviaires dynamiques; spécification, conception et prototypage d'antennes, et amélioration de la fiabilité des communications au niveau de la couche physique. Trois cas d'utilisation représentatifs sont considérés :<br />- Les liaisons T2I le long des lignes à grande vitesse avec partage des infrastructures ;<br />- les liaisons T2I dans des zones spécifiques pour la conduite à distance des trains ;<br />- des liaisons T2T pour des applications de couplage virtuel et de platooning.

Le projet mmW4Rail est organisé en cinq Work Packages interconnectés sur 48 mois. Les verrous scientifiques seront résolus par des simulations et des expérimentations. Le WP1 consiste en la caractérisation et la modélisation des canaux de propagation radio dans des zones ferroviaires spécifiques pour les communications T2T et T2I. Le WP2 se concentrera sur l'intégration des antennes dans le contexte spécifique. Dans le WP3, nous définirons d'abord les exigences pour les communications sans fil T2I et T2T dans le contexte ferroviaire sur la base des documents existants. Nous définirons les indicateurs clés de performance (KPI) à considérer dans le processus d'évaluation. La caractérisation des canaux sera effectuée au Centre d'Essais Ferroviaire (CEF) de Petite Forêt (59). Les véhicules ferroviaires spécifiques sur les voies seront considérés.

Depuis le début du projet, un sondeur de canal a été développé et testé. Des tests préliminaires au Centre d'essais ferroviaires ont été effectués en juillet et les résultats préliminaires mais prometteurs sont en cours d'analyse.

Deux directions sont suivies dans le WP2. D'abord, nous étudions la possibilité de concevoir et de réaliser une surface réfléchissante spécifique pour faciliter le déploiement. En outre, nous envisageons la conception et le développement d'une antenne adaptée à plusieurs standards et à ports multiples pour le FRMCS et d'autres systèmes dans la bande millimétrique.

En ce qui concerne la tâche relative à la conception de l'amélioration de la couche physique pour la communication T2T/T2I, une recherche documentaire sur les techniques d'amélioration de la couche physique et les conceptions de codebook de formation de faisceau les plus récentes a été effectuée. Un algorithme de gestion des ressources radio dans un réseau de communication ferroviaire hétérogène à sauts multiples a été proposé, et des évaluations de performance ont été réalisées.
En ce qui concerne la tâche de simulation au niveau du système et d'évaluation des technologies pour la radio ferroviaire à ondes millimétriques, une spécification du déploiement, du scénario de simulation et des paramètres détaillés a été rédigée.

Traduit avec www.DeepL.com/Translator (version gratuite)

Les travaux progresseront sur les 3 WPs pendant la deuxième période du projet.

1. S. Mabrouki, I. Dayoub, Q. Li and M. Berbineau, «Codebook Designs for Millimeter-Wave Communication Systems in Both Low- and High-Mobility: Achievements and Challenges,« in IEEE Access, vol. 10, pp. 25786-25810, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3154016.
2. Q. Li, J. -C. Sibel, M. Berbineau, I. Dayoub, F. Gallée and H. Bonneville, «Physical Layer Enhancement for Next-Generation Railway Communication Systems,« in IEEE Access, vol. 10, pp. 83152-83175, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3192971.
3. Marion Berbineau, Nicholas Attwood, François Gallée, Patrice Pajusco, Quianrui Li, Hervé Bonneville, Semah Mabrouki, Iyad Dayoub, Divitha Seetharamdoo, « Millimetric waves communications for Railways », Accepted for oral presentation at TRA2022, Lisbon, September
4. ATTWOOD Nicholas, GALLEE François, PAJUSCO Patrice, BERBINEAU Marion, MmW channel sounder for dynamic SIMO measurement, Journée URSI France,
5. Q. Li, A. Charaf, N. Gresset, H. Bonneville, “Radio Resource Management in Next-Generation Railway System with Heterogeneous Multi-hop Relaying Deployment”. In International Workshop on Communication Technologies for Vehicles (pp. 59-70), 2021, November, Madrid.

L'automatisation des trains transfère les fonctions de contrôle-commande du conducteur humain aux ordinateurs. Très haut débit, robustesse, grande fiabilité et latence ultra-faible sont requis pour le futur système de communication mobile ferroviaire (FRMCS) en cours de développement. Il sera basé sur le protocole IP, multi-radio et résilient aux évolutions technologiques et aux interférences.
L'un des principaux frein à l’automatisation est la rareté du spectre radio. Des bandes étroites sont attribuées dans les bandes 900 MHz, 1900 MHz et 5,9 GHz (pour l’urbain). Cela motive l'exploration des ondes millimétriques (mmW) avec la 5G. Cette bande peut répondre aux besoins spécifiques du rail en complément des systèmes actuels. Cela concerne des zones bien définies (gares, gares de triage, lignes à grande vitesse), tout en partageant les infrastructures existantes, et pour des cas d'usage spécifiques (couplage virtuel de trains, platooning, conduite à distance, téléchargement données, etc.). L'objectif en considérant les bandes mmW est d’aller vers l'adaptabilité du système de communication.
Les bandes 28-30 GHz, 38-40 GHz, 57–64 GHz, étendue à 71 GHz sont allouées pour la 5G. La bande des 60 GHz présente un grand intérêt pour le rail pour des débits très élevés et des latences très faibles. L'environnement (ballast, tranchées, tunnels, haute tension près des antennes, poussières, interférences, etc.) ainsi que les contraintes (vibrations des trains, situations de non-visibilité, croisement de trains, cohabitation avec d'autres systèmes, etc.) sont très spécifiques et auront un impact sur les performances des liaisons sans fil entre le train et l'infrastructure (T2I) et entre deux trains (T2T). Les conditions de propagation et le comportement des canaux radioélectriques doivent être connus pour éviter les coupures de communication en mobilité. Des modèles de canaux dédiés pour la bande mmW dans les environnements ferroviaires sont nécessaires.
Des solutions pour améliorer les performances des liens T2T et T2I dans la bande mmW doivent être développées et analysées. L’optimisation de la gestion des ressources radio en tenant compte des contraintes de sécurité, de latence et de fiabilité propres au train; l'amélioration du déploiement et la surveillance des conditions radio dans la bande sont des sujets cruciaux. L'optimisation de la liaison sans fil grâce à l'intégration de plusieurs réseaux d'antennes avec différentes applications potentielles (formation de faisceau, diversité et / ou multiplexage spatial) doit être envisagée en tenant compte de l'impact de l'intégration des antennes sur les performances avec la spécification et la définition de nouveaux modèles d’antenne.
Le projet mmW4Rail se concentre sur trois sujets de recherche fondamentaux dans la bande mmW: la caractérisation et la modélisation des canaux radio pour des scénarios dynamiques, la spécification, la conception et le prototypage d’antennes; et l’amélioration de la fiabilité des communications au niveau de la couche physique. Nous considérerons trois cas d'utilisation typiques et représentatifs:
• Les liaisons T2I le long d'une ligne à grande vitesse avec partage des infrastructures;
• Les liaisons T2I pour la conduite à distance des trains dans des zones spécifiques;
• Les liaisons T2T pour les applications de couplage virtuel et de platooning.
Les résultats du projet mmW4Rail contribueront au développement des communications sans fil en gamme mmW pour répondre aux besoins spécifiques du rail. Ces systèmes seront déployés pour compléter les systèmes actuels, améliorant l'adaptabilité du système en vue d'une indépendance totale vis-à-vis de l’évolution des standards. Le consortium diffusera les résultats au niveau international, au 3GPP, à l'ETSI et à l'UIT-R. Les travaux proposés dans le projet mmW4Rail sont conformes au plan pluriannuel Shift2Rail et fourniront une base pour les développements et déploiements futurs de systèmes de communication alternatifs.

Coordination du projet

Marion BERBINEAU (Université Gustave Eiffel/Département composants et systèmes)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Univ Gustave Eiffel-COSYS Université Gustave Eiffel/Département composants et systèmes
MERCE MITSUBISHI ELECTRIC R&D CENTRE EURO
IMT Atlantique IMT Atlantique - Bretagne - Pays de la Loire
UPHF - IEMN Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie

Aide de l'ANR 822 440 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2021 - 48 Mois

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