Characterization and Modelling of Scattered Wireless Channel at 60 GHZ in an Underground Mine Gallery

Depuis plus d'une décennie, les applications du système de communication sans fil sont exigeantes et augmentent rapidement pour fournir des services multimédias au public. De nos jours, la recherche se concentre sur la conception de communication sans fil à haute vitesse (i.e., 1 Gbps) en particulier dans des zones denses telles que des salles de conférence, des centres commerciaux,des stades et des lieux d'événements publics ouverts. Des réseaux locaux sans fil (WLAN) et des réseaux cellulaires utilisent des hauts potentiels pour réussir les haut débit de données en utilisant différentes technologies de pointe telles que la coexistence entre l'évaluation à long terme non autorisé (LTE-U) et les canaux Wi-Fi. En outre, la faisabilité d'utiliser le spectre à haute fréquence (i.e,> 6 GHz), une couche physique à 60 GHz pour les réseaux denses sont mis en évidence lorsque des liens de communication à courte distance (par exemple, <10 m) sont nécessaires aussi bien dans WLAN (i.e, WiGig) et le réseau cellulaire (i.e, 5G petite cellule). Cependant, les applications à 60 GHz se dirigent vers la communication sans fil souterraine pour une meilleure géolocalisation, les applications haute définition (HD) de streaming vidéo dans une galerie plus grande longueur (i.e,> 100 m) en raison de sa capacité de formation de faisceau et de plus grande capacité. Pour aider le concepteur du système, il est nécessaire de connaître les informations de propagation du canal sans fil diffusé puisque le plancher de la galerie, le plafond et le mur ont différentes rugosités (i.e.,> 5 mm). Cette thèse présente les résultats de la caractérisation du canal sans fil et la modélisation statistique à 60 GHz d'une mine souterraine à CANMET ayant des galeries dont la profondeur varie entre 40 m et 70 m. Depuis plus d'une décennie, les applications du système de communication sans fil sont exigeantes et augmentent rapidement pour fournir des services multimédias au public. Les résultats montrent que l'écart angulaire de la propagation par trajets multiples est inversement proportionnel à la distance entre l'émetteur et le récepteur. Un phénomène de dispersion solide est également observé dans le canal en observant l'angle de propagation des différents trajets. Des polarisations horizontales (H) et verticales (V) ont été utilisées puisque les diagrammes de rayonnement sont différents et peuvent fournir des comportements de dispersion temporelle différents. Les résultats montrent que l'antenne à polarisation verticale fournit un plus grand nombre de trajets multiples par rapport à polarisation horizontale et une valeur plus élevée de moyenne quadratique (RMS) par rapport à une horizontale. Par ailleurs, les mesures du coefficient de réflexion ont été effectuées pour étudier l'effet de dispersion de la surface rugueuse. Étant donné qu'aucun effet de regroupement sur le canal multitrajets n'a été observé, une approche de modélisation statistique a été considérée en tenant compte des différents trajets parcourus et leur amplitude. Par insertion des paramètres de hauteur de la surface de mesure, les modèles de diffusion connus ont également été analysées pour permettre la mise en oeuvre d'une approche de modélisation du canal dispersif.

Abstract

More than a decade, there is a surge in demand and development of wireless communication system applications to deliver multimedia services. Nowadays the research is focused on the design of high speed (i.e., 1 Gbps) wireless system particularly in dense areas such as conference room, shopping mall, stadium and open public events. Wireless local area network (WLAN) and cellular network are making high potential approaches to fulfill high data rate by using different advanced technologies such as coexistence between Long Term Evaluation Unlicensed (LTE-U) and Wi-Fi Wireless channels. Moreover, the feasibility to use high-frequency spectrum (i.e., > 6 GHz), a physical layer research at 60 GHz for dense networks are highlighted where short-distance communication links (i.e., < 10 m) are required both in WLAN (i.e., WiGig) and cellular network (i.e., 5G small cell). However, the applications of 60 GHz bands is driven into underground wireless communication for higher precision geolocation, a High Definition (HD) video streaming applications in a larger gallery length (i.e., > 100 m) due to its beamforming capability and higher capacity. To assist the system designer, it is necessary to know the scattered wireless channel propagation information since the gallery floor, ceiling and walls consist of the different magnitude of the roughness (i.e., > 5 mm). This thesis presents the results of wireless channel characterization and statistical modeling at 60 GHz where the measurements were carried out in CANMET underground mine (40 m and 70 m gallery depths). Several measurements were conducted with different antenna configurations and polarizations. Results show that angular and temporal dispersion are proportional to the mine gallery dimensions. Results also show that the angular spread of the multipath is inversely proportional to the transmitter receiver separation distance. A strong scattering phenomenon is also observed in the channel by observing multipath angle of arrivals. The use of Horizontal (H) and vertical (V) polarizations were performed due to its different radiation pattern can provide a different temporal dispersion behavior. The results show that a vertically polarized antenna provides a lower value of path loss exponent and a higher value of root mean square (RMS) delay spread compared to a horizontal one. Since no clustering effect was observed, a statistical modeling approach with the multipath arrivals and amplitudes was considered. In addition, the reflection coefficient measurements were conducted to investigate the scattering effect from the rough surface. By inserting measured surface height parameters, the known scattering models were also analyzed to have an idea to implement a modeling approach of the scattered channel.