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Développement d'un environnement vocal virtuel par communication sans fil et positionnement par puissance du signal reçu en environnement interne

Circé, Maxime (2014). Développement d'un environnement vocal virtuel par communication sans fil et positionnement par puissance du signal reçu en environnement interne. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La communication sans fil permet aux travailleurs devant porter des protections auditives de communiquer entre eux dans un environnement de travail bruyant. Cependant, les systèmes de communications traditionnels envoient l’information de la voix à tous les utilisateurs d’un même canal sans se soucier de la proximité de ceux-ci. L’introduction du concept d’environnement vocal virtuel permet de prendre en compte cette proximité et de décider quels utilisateurs devraient entendre l’information de la communication.

Un environnement vocal virtuel peut être obtenu à l’aide d’une communication sans fil et la connaissance de la position de chaque usager du réseau. Afin d’obtenir cette information, l’indicateur de puissance reçue (RSSI) de la communication peut être associé à une distance. Cependant, la propagation en environnement interne est fortement affectée par la présence de trajets multiples. Cela a pour effet de créer de fortes variations dans les mesures RSSI. De plus, l’environnement dans lequel le système sera déployé ne permet pas le déploiement d’une infrastructure de référence fixe. Bien qu’il existe plusieurs systèmes de positionnement en environnement interne dans la littérature, ceux-ci sont tous dépendants d’une infrastructure de référence.

Dans le but de répondre à ce besoin, une nouvelle solution de positionnement basée sur une moyenne des mesures RSSI en fréquence a été développée. Celle-ci aborde la problématique en deux temps. La première étape est la caractérisation de l’environnement à l’aide d’un modèle paramétrique qui modélise la perte par propagation et les variations de RSSI pour une distance donnée. La seconde étape est l’algorithme de décision du positionnement. Celui-ci se base sur la probabilité qu’un utilisateur soit à l’intérieur d’une zone prédéterminée à partir des mesures RSSI. L’utilisateur peut se trouver dans trois zones différentes : une zone où la voix doit s’activer, une zone où elle se désactive et une zone d’hystérésis où elle reste inchangée. Celles-ci sont définies par l’ajustement de seuils des niveaux de puissance reçue en fonction de critères de fonctionnalité.

Ce mémoire présente donc les résultats de la solution proposée dans une largeur de bande de 80 MHz dans la bande ISM de 2.4 GHz. Les résultats démontrent une réduction de l’écart type moyen des mesures RSSI de 2.0 dB par l’utilisation de la technique de diversité fréquentielle. De plus, deux scénarios définissant des distances d’activation différentes ont été étudiés, soit 0.5met 1 m. Pour une distance d’activation à partir de 1m, la distance de désactivation imposée par la modélisation se retrouve à 3.0 m. La validation croisée de l’algorithme de décision a donné un écart moyen de 0.18 m entre la distance d’activation prévue par la modélisation et celle obtenue par décision et un écart moyen 0.225 m pour la distance de désactivation.

Titre traduit

Development of a virtual vocal environment using wireless communications and indoor received signal strength positioning

Résumé anglais

Wireless communication allows workers wearing hearing protection devices to communicate in a noisy work environment. However, typical communication systems send voice information to all users on the same channel regardless of their physical proximity. The introduction of a virtual voice environment concept allows to take into account the proximity of each user and decide which users should receive and hear the communication.

A virtual voice environment can be obtained using a wireless communication and the knowledge of the position of each user. To retrieve this information, the received signal strength indicator (RSSI) of the communication may be associated with a distance. However, indoor multipath fading affects RSSI measurements by creating large variations in those measurements. In addition, the environment in which the system will be used does not allow the deployment of a fixed infrastructure. Although there are several indoor positioning systems in the literature, they depend on a fixed infrastructure.

In order to meet this need, a new solution for indoor positioning was developed. It is based on the average of RSSI measurements at multiple frequencies. It addresses the problem in two stages. The first step is to characterize the environment with a parametric model based on the propagation loss and RSSI measurement variations for a given distance. The second step is the decision algorithm for the positioning. It is based on the probability that a user is within a predetermined area based on the RSSI measurements. The user can be located in three different areas : an area where the voice is being activated, an area where it is deactivated and a hysteresis zone in which it remains unchanged. These are defined by thresholds that must be computed against functionality criterions and the model.

This paper presents the results of the proposed solution with a 80 MHz bandwidth in the 2.4 GHz ISM band. The results show a reduction of 2.0 dB in the average standard deviation of RSSI measurements by using the frequency diversity technique. In addition, two different activation distance scenarios were studied, i.e. 0.5 m and 1 m. In the 1 m scenario, the deactivation distance imposed by the model found was 3.0 m. Cross-validation of the decision algorithm gave an average deviation of 0.18 m between the activation distance provided by the model and the decision and an average deviation of 0.225 m for the deactivation distance.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie électrique". Bibliographie : pages 109-111.
Mots-clés libres: Ondes radio électriques Propagation. Transmission sans fil. Localisation sans fil. virtuel, Vocal, environnement interne, RSSI, trajets multiples, modèle de propagation radio en environnement interne, FHSS
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Gagnon, Ghyslain
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Voix, Jérémie
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt: 20 mars 2015 17:53
Dernière modification: 11 mai 2015 14:15
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1254

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