TITRE : Système de communication par rétrodiffusion ambiante, appareil et procédé associés

La présente invention concerne un système de communication par rétrodiffusion ambiante. L’invention se rapporte aussi à un appareil comportant le système précité. L’invention concerne également un procédé d’optimisation de la communication par rétrodiffusion ambiante dans le système de communication, ainsi qu’un produit programme d’ordinateur et un support lisible d’informations associés.

La technique de rétrodiffusion ambiante est une technique de communication permettant à un émetteur d'envoyer un message à un récepteur sans émettre aucune onde radio supplémentaire par rapport aux ondes qui sont déjà présentes.

Un exemple de telle technique est notamment décrit dans le document US 2015/0108210 A et un article de Van Huynh et al. intitulé « Ambient Backscatter Communications : A Contemporary Survey » tiré de IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIALS, volume 20, numéro 4 en date du 19 novembre 2018.

L’émetteur modifie les ondes radio ambiantes issues de sources ambiantes, et le récepteur détecte ces modifications. La détection par le récepteur du signal provenant de l’émetteur est perturbée par la présence d’interférences entre le signal de l’émetteur et le signal provenant directement de la source. Il est donc souhaitable d’améliorer la qualité de la réception du signal provenant de l’émetteur.

Pour cela, il est connu d’utiliser un module de traitement de signal au niveau du récepteur servant à supprimer l’interférence gênante entre les deux signaux. Par exemple, un tel module de traitement estime la contribution au canal de propagation entre la source et le récepteur due au seul trajet direct, par exemple en cherchant un maximum de corrélation entre un signal de référence reçu et un signal de référence émis par la source. Le module de traitement applique ensuite sur un signal de données reçu une égalisation du canal reposant uniquement sur le canal du trajet direct. A l’aide d’une modulation - démodulation, il est alors possible de retrancher dans le signal final la partie la plus importante de l’interférence.

Toutefois, un tel module de traitement implique une ressource supplémentaire qui effectue des opérations complexes, ce qui résulte en une consommation accrue d’énergie. Il existe donc un besoin pour un système de communication par rétrodiffusion ambiante qui présente une bonne qualité de réception avec une consommation d’énergie moindre.

A cet effet, la description décrit un système de communication par rétrodiffusion ambiante, le système de communication comportant un émetteur de rétrodiffusion ambiante propre à générer un signal de rétrodiffusion ambiante selon une première polarisation à partir d’un signal ambiant incident sur l’émetteur, un récepteur de rétrodiffusion ambiante propre à détecter selon une deuxième polarisation le signal de rétrodiffusion ambiante émis par l’émetteur de rétrodiffusion ambiante, et un dispositif de réduction de l’interférence entre le signal de rétrodiffusion ambiante et un signal ambiant incident sur le récepteur, le dispositif de réduction contrôlant la première polarisation et la deuxième polarisation, au moins l’une desdites première et deuxième polarisations étant réglable.

Selon des modes de réalisation particuliers, le système présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

- la première polarisation et la deuxième polarisation présentent un premier angle entre elles, le dispositif de réduction contrôlant le premier angle pour que la valeur d’un critère de performance du système de communication soit optimisée, le critère étant choisi dans le groupe constitué du taux d’erreur, du débit, du temps de transmission, du rapport signal à bruit et interférences, et de la qualité de service.

- le dispositif de réduction comprend un premier organe de contrôle de la première polarisation et un deuxième organe de contrôle de la deuxième polarisation.

- l’émetteur est réalisé en un matériau reconfigurable en polarisation, le premier organe de contrôle étant un organe de reconfiguration du matériau.

- le système comporte, en outre, une source propre à générer un signal ambiant selon une troisième polarisation, le dispositif de réduction contrôlant également la troisième polarisation.

- la troisième polarisation et la deuxième polarisation présentent un deuxième angle entre elles, le dispositif de réduction contrôlant le deuxième angle pour que la valeur d’un critère de performance du système de communication soit optimisée, le critère étant choisi dans le groupe constitué du taux d’erreur, du débit, du temps de transmission, du rapport signal à bruit et interférences, et de la qualité de service. La présente description propose également un appareil comportant un système tel que précédemment décrit.

La présente description décrit aussi un procédé d’optimisation de la communication par rétrodiffusion ambiante dans un système de communication par rétrodiffusion ambiante comportant un émetteur de rétrodiffusion ambiante propre à générer un signal de rétrodiffusion ambiante selon une première polarisation à partir d’un signal ambiant incident sur l’émetteur, un récepteur de rétrodiffusion ambiante propre à détecter selon une deuxième polarisation le signal de rétrodiffusion ambiante émis par l’émetteur de rétrodiffusion ambiante, et un dispositif de réduction de l’interférence entre le signal de rétrodiffusion ambiante et un signal ambiant incident sur le récepteur, le dispositif de réduction contrôlant la première polarisation et la deuxième polarisation, au moins l’une desdites première et deuxième polarisations étant réglable, le procédé comportant au moins une étape de variation de la première polarisation et la deuxième polarisation pour que la valeur d’un critère de performance du système de communication soit inférieure ou égale à un seuil, le critère étant choisi dans le groupe constitué du taux d’erreur, du débit, du temps de transmission, du rapport signal à bruit et interférences, et de la qualité de service.

La présente description propose également un produit programme d’ordinateur comportant un support lisible d’informations, sur lequel est mémorisé un programme d’ordinateur comprenant des instructions de programme, le programme d’ordinateur étant chargeable sur une unité de traitement de données et adapté pour entraîner la mise en oeuvre d’au moins une étape du procédé tel que précédemment décrit lorsque le programme d’ordinateur est mis en oeuvre sur l’unité de traitement des données.

La présente description propose également un support lisible d’informations sur lequel est mémorisé un produit programme d’ordinateur tel que précédemment décrit.

Des caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :

- [Fig 1] la figure 1 est une représentation schématique d’un exemple d’appareil, et

- [Fig 2] la figure 2 est une vue schématique d’un système de communication faisant partie de l’appareil.

Un appareil 10 est représenté sur la figure 1 .

Selon l’exemple représenté, l’appareil 10 est un objet connecté.

Un objet connecté est un objet électronique et partageant des données avec un autre objet via un réseau sans fil. L’appareil 10 comporte une pluralité d’éléments 12 parmi lesquels un système de communication par rétrodiffusion ambiante 14.

Un système de communication par rétrodiffusion ambiante 14 est un système adapté à mettre en oeuvre une technique de rétrodiffusion ambiante, c’est-à-dire à établir une communication entre deux éléments sans émettre aucune onde radio supplémentaire par rapport aux ondes qui sont déjà présentes.

Un exemple de système de communication 14 est illustré plus en détail sur la figure 2.

Le système de communication 14 comporte un émetteur de rétrodiffusion ambiante 16, un récepteur de rétrodiffusion ambiante 18, une source 20 et un dispositif de réduction d’interférences 22.

L’émetteur 16 est propre à générer un signal de rétrodiffusion ambiante à partir d’un signal ambiant selon une première polarisation réglable, dite polarisation émetteur P _E .

L’émetteur 16 est reconfigurable selon une première pluralité d’états.

La première pluralité d’états notée £ regroupe la pluralité des états de l’émetteur 16 avec au moins deux états de polarisation différents. E est, par définition, le cardinal de £, ce qui s’écrit E = card(£).

Par exemple, E = 2 peut être réalisé avec deux dipôles orthogonaux. En effet, un premier état peut être est obtenu en mettant les deux brins du premier dipôle en court- circuit et les deux brins du second dipôle en circuit ouvert, et le deuxième état peut être est obtenu en mettant les deux brins du premier dipôle en circuit ouvert, les deux brins du second dipôle en circuit fermé. L’orientation de la polarisation qui est la mieux rétrodiffusée dans le premier état (celle du dipôle en court-circuit) est orthogonale à l’orientation qui est la mieux rétrodiffusée dans le second état (celle du dipôle en court- circuit).

Selon un autre exemple, il a déjà été montré que des réalisations à E = 100 sont possibles, notamment dans un article de M. Dupré et al. intitulé « Wave-Field Shaping in Cavities: Waves Trapped in a Box with Controllable Boundaries » (Physical Review Letters 1 15 (2015): 017701 ).

Il est défini un sous-ensemble de £ appelé modulation M, comprenant au moins deux états de polarisation différents.

Soit M = card( f).

L’émetteur est ainsi propre à émettre un message composé de symboles en basculant entre les M états d’une modulation M, et en appliquant la correspondance entre symboles et états. Dans l’exemple proposé, l’émetteur 16 comporte un résonateur 24, dit résonateur de rétrodiffusion 24, et un circuit de commutation 26.

Le résonateur de rétrodiffusion 24 est reconfigurable.

Le résonateur de rétrodiffusion 24 est, par exemple, réalisé en un matériau reconfigurable en polarisation.

Le matériau reconfigurable est, de préférence, choisi pour être capable d’interagir avec des ondes émises par la source 20.

Plusieurs exemples de résonateurs de rétrodiffusion 24 reconfigurables sont envisageables.

Par exemple, le résonateur de rétrodiffusion 24 comporte au moins deux dipôles croisés, pouvant chacun être commuté indépendamment en circuit ouvert ou fermé.

En variante, le résonateur de rétrodiffusion 24 est une antenne élémentaire d’un réseau d’antennes à double ou multiple polarisations.

Selon un autre exemple, le résonateur de rétrodiffusion 24 est réalisé sous forme d’une antenne multiport générant au moins deux polarisations différentes. Les ports sont connectés à un commutateur apte à modifier l’impédance de charge des ports.

Le récepteur 18 est propre à détecter le signal de rétrodiffusion ambiante émis par l’émetteur 16 selon une deuxième polarisation réglable, dite polarisation récepteur P _R .

Le récepteur 18 est reconfigurable selon une deuxième pluralité d’états.

La deuxième pluralité d’états notée JZ est constitué de R états ( R = card( )).

Les mêmes valeurs que pour l’entier E sont également envisageables pour l’entier R.

Dans l’exemple proposé, le récepteur 18 comporte une antenne 30, dite antenne de réception 30, et un circuit de commutation 31.

L’antenne de réception 30 est reconfigurable.

Selon un exemple particulier, l’antenne de réception 30 est une antenne à fente avec une cavité à l’arrière, aussi désignée sous le terme anglais de « cavity-backed slot antenna ».

Dans un tel exemple, l’antenne de réception 30 peut présenter quatre polarisations distinctes, à savoir deux circulaires et deux parallèles.

En variante, l’antenne de réception 30 comporte deux sous-antennes dipolaires à polarisation linéaire orthogonale.

Selon encore un autre exemple, l’antenne de réception 30 comporte deux sous- antennes à double polarisation présentant chacune deux ports reliés à un interrupteur radiofréquence respectif. L’antenne de réception 30 présente des propriétés optimisées pour détecter des ondes à des fréquences choisies, notamment les fréquences des ondes émises par la source 20.

Les remarques précédentes portant sur le circuit de commutation 26 de l’émetteur 16 sont également valables pour le circuit de commutation 31 du récepteur 18 et ne sont pas répétées ici.

La source 20 est une source propre à générer un signal ambiant selon une troisième polarisation, dite polarisation source Ps.

En l’espèce, cela signifie que la source 20 est propre à émettre des ondes.

En particulier, la source 20 est propre à émettre des ondes radiofréquences.

A titre d’illustration, la source 20 est un point d’accès d’un réseau sans fil, notamment un réseau wifi ou un émetteur de radio FM.

Dans l’exemple décrit, la source 20 est incluse dans l’appareil 10, et la troisième polarisation est réglable.

Toutefois, dans de nombreux cas, la troisième polarisation est fixe, notamment lorsque la source 20 ne fait pas partie de l’appareil 10. A titre d’exemple particulier d’un tel cas, la source 20 est un émetteur de télévision, notamment une tour de télévision numérique terrestre.

La source 20 est reconfigurable selon une troisième pluralité d’états.

La troisième pluralité d’états notée S est constituée de S états (S = card( )).

Les mêmes valeurs que pour l’entier E sont également envisageables pour l’entier S.

La source 20 comporte une antenne 32, dite antenne source 32.

Les mêmes remarques que pour l’antenne de réception 30 s’appliquent pour l’antenne source 32 et ne sont pas répétées ici.

En particulier, dans l’exemple proposé, l’antenne source 30 est reconfigurable.

Le dispositif de réduction 22 est un dispositif de réduction de l’interférence entre le signal de rétrodiffusion ambiante et un signal ambiant incident sur le récepteur 18.

Dans l’exemple proposé, le dispositif de réduction 22 contrôle la polarisation émetteur P _E , la polarisation récepteur P _R et la polarisation source Ps.

Le dispositif de réduction 22 comprend trois organes de contrôle de polarisation 33, 34 et 36.

Chaque organe de contrôle 33, 34 et 36 est propre à faire varier la polarisation de l’élément considéré selon plusieurs valeurs, continues ou non.

Plus spécifiquement, le dispositif de réduction 22 comprend un premier organe de contrôle 33 de la polarisation émetteur P _E , un deuxième organe de contrôle 34 de la polarisation récepteur P _R et un troisième organe de contrôle 36 de la polarisation source Ps.

Selon l’exemple décrit, le premier organe de contrôle 33 est un organe de reconfiguration du matériau.

Par exemple, le premier organe de contrôle 33 est propre à fournir l’énergie permettant de reconfigurer le matériau dans lequel est formé le résonateur de rétrodiffusion 24.

Dans le cas de la figure 2, les organes de contrôle 33, 34 et 36 sont présentés comme étant distincts, mais certains ou tous peuvent être confondus.

En fonctionnement, le dispositif de réduction 22 contrôle la polarisation de l’émetteur 16, la polarisation du récepteur 18 et la polarisation de la source 20 pour obtenir une configuration favorable. Par configuration favorable, il est entendu une configuration permettant d’améliorer au moins un critère par rapport à une configuration où les polarisations ne sont pas contrôlées.

Autrement formulé, le dispositif de réduction 22 tire profit de l’effet de polarisation pour atténuer la contribution du signal ambiant pour favoriser la détection du signal de rétrodiffusion ambiante.

Une manière de quantifier cet effet est de calculer le contraste induit par l’émetteur 16. Ce contraste peut être défini comme étant la variation d’intensité enregistrée par le récepteur 18 et induit par l’émetteur 16 sur l’intensité moyenne reçue par le récepteur 18. Ainsi, le contraste s’écrit :

où :

• h est le contraste,

• I ₀ est l’intensité lorsque l’émetteur 16 présente une polarisation non contrôlée (état 0), et

• est l’intensité lorsque l’émetteur 16 présente une polarisation contrôlée par le dispositif de réduction 22 (état 1 ).

Le contraste dépend des trois polarisations comme cela va être montré dans ce qui suit en utilisant le formalisme des vecteurs de Jones.

La polarisation d’émission P _E est ainsi représentée par un vecteur de polarisation d’émission V _E, la polarisation de réception P _R par un vecteur de polarisation de réception V _R et la polarisation de la source Ps par un vecteur de polarisation de source V _s .

Par ailleurs, dans la suite la notation (A, B) représente le complexe Ai Bi + A ₂ B ₂ . Lorsque l’émetteur 16 est dans l’état 1 , le signal reçu SR par le récepteur 18 s’exprime comme :

SR = (V _s , V _R )

où b est un facteur de proportionnalité complexe qui prend en compte les effets de la propagation (phase, atténuation ...).

Lorsque l’émetteur 16 est dans l’état 0, le signal reçu SR par le récepteur 18 s’exprime comme :

SR = (V _s , V _R ) + a(y _s , V _E )(y _E , V _R )

où a est un facteur complexe qui décrit l’effet de la diffusion et la propagation En utilisant les deux expressions précédentes, il vient pour le contraste la formule qui suit :

En maximisant l’expression suivante pour le cas de trois polarisations linéaires, il vient que l’angle optimal pour la polarisation récepteur P _R est 90° par rapport à la polarisation source Ps et que l’angle optimal pour la polarisation émetteur P _E est la moyenne arithmétique de la polarisation récepteur P _R et de la polarisation source Ps.

Le dispositif de réduction 22 contrôle ainsi les trois polarisations P _R , Ps et PE pour respecter les critères précédents de sorte que le contraste défini précédemment soit optimisé.

II est à noter que le raisonnement précédent reste valable pour des polarisations plus complexes, notamment elliptiques.

En outre, le même raisonnement est aussi transposable pour d’autres critères d’amélioration de la communication du signal rétrodiffusé.

Le but est donc d’optimiser la valeur du critère de performance, cette valeur pouvant être selon les cas maximisée ou minisée.

Parmi ces critères de performance, il peut être cité le niveau de signal rétrodiffusé détecté par le récepteur 18, le taux d’erreur, le débit, le temps de transmission, le rapport signal à bruit et interférences, et la qualité de service.

A titre d’exemple particulier, il pourrait être envisagé d’utiliser comme critère de maximiser la somme de I ₀ et de / _x ou d’assurer que la différence entre / _x et I ₀ soit supérieure au bruit.

Le dispositif de réduction 22 permet d’obtenir un système de communication par rétrodiffusion ambiante 14 qui présente une bonne qualité de réception avec une consommation d’énergie moindre. En outre, le réglage du système de communication 14 est particulièrement aisé, comme cela va être expliqué en référence à la mise en oeuvre d’un procédé d’optimisation de la communication par rétrodiffusion ambiante dans le système de communication 14 pour que le critère de performance soit inférieur ou égal à une valeur seuil.

Selon un premier exemple, dit exemple A, le procédé est mis en oeuvre manuellement.

Par exemple, dans le cas de polarisations linéaires, les polarisations de la source Ps, du récepteur P _R et de l’émetteur P _E sont variées pour que la polarisation du récepteur PR et la polarisation de la source Ps soient orthogonales et que la polarisation du récepteur P _R et la polarisation de l’émetteur P _E ne soient pas parallèles.

L’exemple A est particulièrement adapté pour des environnements dépourvus d’obstacles.

Selon un deuxième exemple, dit exemple B, le procédé est mis en oeuvre automatiquement en supposant que seuls l’émetteur 16 et le récepteur 18 sont à régler.

Le procédé est ainsi mis en oeuvre au moins en partie de manière informatique.

Le procédé peut ainsi comporter l’utilisation d’un produit programme d’ordinateur comportant un support lisible d’informations, sur lequel est mémorisé un programme d’ordinateur comprenant des instructions de programme, le programme d’ordinateur étant chargeable sur une unité de traitement de données et adapté pour entraîner la mise en oeuvre d’au moins une étape du procédé lorsque le programme d’ordinateur est mis en oeuvre sur l’unité de traitement des données.

Cela implique que le procédé selon l’exemple B vise à déterminer la valeur optimale d’un doublet (m,r) permettant de maximiser un des critères d’amélioration précités. Par définition m est un élément de M et r est un élément de JZ.

Le procédé selon l’exemple B comporte une étape de test de chaque doublet (m, r) possible.

Dans une telle étape de test pour un doublet, l’émetteur 16 est configuré pour utiliser m et le récepteur 18 est configuré dans l’état r.

L’émetteur 16 et le récepteur 18 sont maintenus dans une telle configuration pendant un intervalle de temps supérieur ou égal à l’intervalle de temps minimal durant lequel l’émetteur émet l’intégralité d’au moins un message de test.

Un exemple de message de test est un ensemble de messages connus du récepteur et comportant chacun un champ de contrôle de redondance cyclique (aussi désigné sous le sigle CRC) émis à des instants connus précédés d’une séquence de synchronisation connue du récepteur 18. Le récepteur 18 reçoit le message de test et en utilisant la séquence de synchronisation, le récepteur 18 démodule le message de test. Le récepteur 18 effectue une vérification du champ de contrôle de redondance cyclique et en déduit si le message reçu est bien décodé ou erroné. Lorsque le message est correct, l’indicateur de communication est égal à 1 mais a contrario, avec un message non valide, l’indicateur de communication est égal à 0. En présence de plusieurs champs de contrôle de redondance cyclique, l’indicateur est, par exemple, une moyenne arithmétique de l’ensemble des indicateurs de communications déterminés après vérification de chaque champ de contrôle de redondance cyclique.

Selon un autre exemple, le message de test est un ensemble de messages connus du récepteur et précédés d’une séquence de synchronisation connue du récepteur.

Cet autre exemple est similaire au cas précédent, la détermination de l’indicateur de communication étant obtenu par comparaison du message démodulé avec le message connu et évaluation du taux d’erreur symbole (indicateur compris entre 0 et 1 ).

La succession des différentes valeurs de m et de r pour pouvoir effectuer chaque étape de test se fait, par exemple, suivant un ordre et un rythme prédéfinis et connus à la fois du récepteur et de l’émetteur.

Le procédé selon l’exemple B comporte enfin une étape de comparaison des indicateurs de chaque doublet (m, r) pour obtenir le doublet présentant le meilleur indicateur.

Le système de communication 14 est ainsi réglé.

L’extension au cas d’une source reconfigurable correspond au cas de l’exemple B dans lequel, au lieu de tester tous les doublets (m, r) possibles, ce sont tous les triplets (m, r, s) qui sont testés avec s un élément de S.

Par exemple, il est possible de fixer la valeur de s, puis de mettre en oeuvre le procédé de l’exemple B, puis de changer la valeur de s, et de mettre en oeuvre le procédé de l’exemple B, et ainsi de suite.

Il est ainsi obtenu pour chaque nouvelle valeur de s, un doublet (m, r) optimal au sens de l’indicateur de communication. Il devient alors possible de sélectionner la valeur de s optimale par comparaison des indicateurs de communication. L’ensemble du triplet correspond à la valeur de s sélectionnée et au doublet (m, r) optimal associé à cette valeur de s.

Le procédé qui vient d’être décrit montre aussi que le dispositif de réduction 22 est également utilisable lorsque la source 20 n’est pas réglable en polarisation. Dans tous les cas, le dispositif de réduction 22 permet d’augmenter la performance du système de communication 14 avec une faible consommation d’énergie impliquée.