Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Communications 6G pour les lignes ferroviaires secondaires

Laboratoire principal - Référent principal COSYS - LEOST  -  BERBINEAU Marion      tél. : +33 320438331/ 06 84 58 00 64

Directeur du laboratoire principal COCHERIL Yann  -

Spécialité de la thèse électronique, traitement du signal

Axe 1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité

Site principal Lille-Villeneuve d'Ascq

Etablissement d'inscription UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL

Ecole doctorale ENGSYS

Directeur de thèse prévu BERBINEAU Marion  -  Université Gustave Eiffel  -  COSYS - LEOST

Co-directeur de thèse prévu LANGLAIS Charlotte  -  TELECOM BRETAGNE  -  Dept. Electronique

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Pour réduire notre impact sur le climat, il est urgent d'augmenter l'utilisation du train, en particulier dans les zones rurales. Ce transfert modal sera possible grâce au développement de nouveaux types de trains légers sans conducteur ou télécommandés et de services tels que FERROMOBILE [1] ou PODS4RAIL [2] avec un service à la demande. Les lignes ferroviaires secondaires ne seront pas équipées de FRMCS (Future Railway Mobile Communication Systems) [3] pour des raisons de coût. De plus, ces lignes ne sont pas électrifiées. Dans ce contexte, afin de maintenir le niveau de sécurité requis, il est absolument nécessaire de garantir une connectivité totale partout et d'anticiper la présence d'obstacles sur l'infrastructure grâce à des fonctions de détection, ainsi que d'informer le train de l'état du passage à niveau en surveillant l'infrastructure.
Les lignes secondaires peuvent être situées dans des zones rurales à ciel ouvert, mais aussi dans des couloirs étroits et sinueux entourés de collines ou de montagnes et de végétation. Dans ces environnements, la couverture radio est généralement faible, ce qui constitue un énorme problème pour garantir la connectivité partout. Dans un avenir proche, le réseau 6G devrait être en mesure de fournir une connectivité omniprésente aux passagers ou aux appareils de tous les types de transport, même dans les zones non peuplées [4].
La 4G et la 5G ne parviennent pas à résoudre les problèmes de connectivité auxquels sont confrontées les lignes ferroviaires secondaires. La propagation des signaux 4G-5G peut être considérablement affectée en raison des caractéristiques géométriques de ces lignes. En outre, l'amélioration de la densité actuelle de l'infrastructure de télécommunications dans les zones rurales nécessiterait des investissements importants qui ne sont pas prévus. La fédération de réseaux et la connectivité hybride offertes par le réseau 6G sont des technologies clés pour compenser la non-régularité de la couverture radio dans les zones rurales [5]. Cependant, même en présence de réseaux non terrestres (par exemple, le réseau de satellites LEO), la connectivité du réseau peut être perdue à cause des tunnels, des zones densément boisées et des environnements montagneux.
Dans cette thèse, nous proposons d'explorer un scénario original mettant en scène un train léger autonome associé à un réseau de plusieurs UAV (Unmanned Aerial Vehicles). Les drones peuvent voler devant ou autour du train. Ils peuvent agir comme des relais spécifiques pour étendre la couverture radio à proximité du train afin de maintenir une connectivité hybride avec différents réseaux sans fil, y compris des réseaux non terrestres (par exemple, le réseau de satellites LEO). Cela permettra d'assurer une communication ininterrompue même dans les zones où la couverture des réseaux terrestres est faible [6]. Des drones dotés de capacités de détection peuvent également être déployés avant le train pour s'assurer que les voies sont libres de tout obstacle, ce qui améliore la sécurité générale de la ligne.
La 6G introduit des technologies clés prometteuses telles que la détection et les communications intégrées (ISAC) et la surface intelligente reconfigurable (RIS), que nous étudierons spécifiquement dans le cadre du doctorat, afin de résoudre les problèmes de connectivité et de sécurité.
Les SIF sont une technologie émergente dans le domaine des communications sans fil et peuvent jouer un rôle clé dans l'amélioration de la connectivité et de la sécurité des lignes ferroviaires, en particulier des petites lignes secondaires [7, 8]. En effet, ils redirigent et concentrent les signaux dans les zones à faible couverture, telles que les tunnels ou les zones rurales. Les RIS sont des surfaces passives ou semi-passives, généralement composées de nombreux éléments contrôlables, qui peuvent manipuler des ondes électromagnétiques en temps réel. Sur les lignes secondaires dotées d'une infrastructure limitée, elle peuvent être installées stratégiquement sur des trains ou montées sur des drones [9]. Les RIS offrent une solution plus économique car elle peuvent améliorer la couverture du réseau et les systèmes de détection à un coût inférieur à celui de l'installation de nouvelles antennes ou de capteurs complexes. Les drones utilisés pour l'inspection des voies ou la détection d'obstacles pourraient bénéficier des RIS pour garantir une connexion fiable même dans des environnements difficiles (zones montagneuses ou densément boisées). En raison des pertes plus importantes, les techniques de formation de faisceau sont généralement nécessaires dans les bandes millimétriques. Lorsque le trajet en visibilité directe est bloqué ou masqué, la présence de RIS dans l'environnement de propagation peut créer de nouveaux trajets multiples puissants pour maintenir la connectivité. Un autre avantage est la capacité de formation de faisceau lorsque la surface intelligente est proche de l'antenne TX ou RX. Ainsi, en conjonction avec les drones, les RIS assureront des liaisons stables pour la surveillance en temps réel, offrant une solution flexible et rentable pour les lignes secondaires.
La technologie ISAC vise à unifier les tâches de détection et de communication avec des compromis directs entre elles et des gains de performance mutuels. En raison des contraintes de poids, de taille et d'énergie des drones, l'ISAC pourrait être utilisé pour le nettoyage des voies en détectant les obstacles en temps réel et en communiquant instantanément ces informations au système de conduite automatique et aux gestionnaires du réseau ferroviaire [10]. Il existe différents niveaux d'intégration. Dans le scénario le moins intégré, le radar et les communications coexistent grâce à une isolation physique, telle que la séparation des fréquences, et se traitent mutuellement comme des interférences. Dans les ondes millimétriques, la gestion des interférences peut être assurée par la formation de faisceaux numériques, hybrides ou analogiques. Dans un scénario entièrement intégré, le gain d'intégration matérielle est maximal et la coopération assure la gestion des interférences. Dans ce cas, les formes d'onde de communication et de détection sont optimisées conjointement à l'aide d'algorithmes d'optimisation efficaces afin de respecter simultanément le taux de transmission de la communication et les performances de détection.
Dans cette thèse de doctorat, un système de communication ISAC 6G assisté par RIS sera analysé dans le cadre d'un environnement ferroviaire mmW réaliste. En l'absence de connectivité à bord du train, les drones devraient servir de passerelles vers les réseaux terrestres et non terrestres. Le drone peut également aider à détecter les obstacles pour le dégagement des voies.
Tout d'abord, un environnement 3D sera modélisé pour représenter la ligne ferroviaire secondaire, le train et les drones. Après une première simulation par traçage de rayons de l'environnement de transmission complet, nous étudierons la nécessité de mettre en œuvre une approche hybride de modélisation des canaux qui combine les résultats du traçage de rayons (simulateur CloudRT) et les modèles stochastiques basés sur la géométrie, comme l'a proposé l'équipe du professeur Ke Guan (Beijing Jiatong University, BJTU) [11]. En effet, dans le cadre de l'ISAC, la cible, le fouillis et les interférences doivent être modélisés avec précision, ce qui peut entraîner des temps de calcul prohibitifs.
Deuxièmement, grâce à des simulations de canaux par traçage de rayons, les communications assistées par RIS entre le train et les drones seront évaluées. Dans ce scénario, nous supposons que la détection et la communication coexistent au niveau du drone qui ouvre la voie et s'appuient sur des systèmes matériels indépendants. Le positionnement du SIF sur le train permet de résoudre le problème de l'agilité du faisceau. Inversement, le montage du RIS sur le drone peut améliorer la connectivité avec le drone qui ouvre la voie, permettant ainsi un scénario NLOS. Les gains de performance, par rapport à un système sans RIS, seront évalués. L'évaluation des performances des systèmes ISAC et RIS nécessite une modélisation précise et efficace des canaux radio. Néanmoins, les modèles de canaux basés sur la stochastique ne donnent pas de bons résultats pour la détection ou le suivi dans les scénarios de détection.
Troisièmement, pour réduire la surcharge de signalisation nécessaire à la formation de faisceaux dans un scénario de véhicule, l'ISAC peut mettre en œuvre des capacités de communication assistée par détection. L'émetteur à double fonction du train envoie le signal de détection vers le drone, puis utilise le signal d'écho reçu pour choisir le faisceau correct pour la transmission des informations. Dans ce cas, nous supposons que le drone dispose de sa propre fonction de détection des obstacles.
Enfin, le système ISAC assisté par un SIF sera étudié lorsque le RIS est monté sur un drone afin de créer des liaisons virtuelles LoS pour la détection même si le train n'est pas en ligne de mire directe avec les obstacles. Dans ce cas, l'émetteur intégré à double fonction est placé sur le train et le drone sert de relais pour le signal de détection. L'objectif ultime est le système ISAC assisté par RIS, dans lequel le train autonome assure la fonction de détection, tandis que le drone n'est monté qu'avec RIS pour limiter la consommation d'énergie et la taille du matériel.
[1] https://www.francemobilites.fr/solutions/la-ferromobile
[2] https://pods4rail.eu/
[3] V. Nikolopoulou et al., "5GRAIL paves the way to the Future Railway Mobile Communication System Introduction," 2022 IEEE Future Networks World Forum (FNWF), Montreal, QC, Canada, 2022, pp. 53-57, doi: 10.1109/FNWF55208.2022.00018.
[4] R. Liu et al., « 6G Enabled Advanced Transportation Systems », IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, vol. 25, no 9, p. 10564‑10580, sept. 2024.
[5] P. Le Corre, PY. Petton, R. Fargeon

Mots-clefs: ferroviaire, technologies 6G, perception, surfaces intelligentes reconfigurables, communications sans fil, ISAC

Laboratoire principal - Référent principal	COSYS - LEOST - BERBINEAU Marion tél. : +33 320438331/ 06 84 58 00 64
Directeur du laboratoire principal	COCHERIL Yann -
Spécialité de la thèse	électronique, traitement du signal
Axe	1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité
Site principal	Lille-Villeneuve d'Ascq
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL
Ecole doctorale	ENGSYS
Directeur de thèse prévu	BERBINEAU Marion - Université Gustave Eiffel - COSYS - LEOST
Co-directeur de thèse prévu	LANGLAIS Charlotte - TELECOM BRETAGNE - Dept. Electronique
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé Pour réduire notre impact sur le climat, il est urgent d'augmenter l'utilisation du train, en particulier dans les zones rurales. Ce transfert modal sera possible grâce au développement de nouveaux types de trains légers sans conducteur ou télécommandés et de services tels que FERROMOBILE [1] ou PODS4RAIL [2] avec un service à la demande. Les lignes ferroviaires secondaires ne seront pas équipées de FRMCS (Future Railway Mobile Communication Systems) [3] pour des raisons de coût. De plus, ces lignes ne sont pas électrifiées. Dans ce contexte, afin de maintenir le niveau de sécurité requis, il est absolument nécessaire de garantir une connectivité totale partout et d'anticiper la présence d'obstacles sur l'infrastructure grâce à des fonctions de détection, ainsi que d'informer le train de l'état du passage à niveau en surveillant l'infrastructure. Les lignes secondaires peuvent être situées dans des zones rurales à ciel ouvert, mais aussi dans des couloirs étroits et sinueux entourés de collines ou de montagnes et de végétation. Dans ces environnements, la couverture radio est généralement faible, ce qui constitue un énorme problème pour garantir la connectivité partout. Dans un avenir proche, le réseau 6G devrait être en mesure de fournir une connectivité omniprésente aux passagers ou aux appareils de tous les types de transport, même dans les zones non peuplées [4]. La 4G et la 5G ne parviennent pas à résoudre les problèmes de connectivité auxquels sont confrontées les lignes ferroviaires secondaires. La propagation des signaux 4G-5G peut être considérablement affectée en raison des caractéristiques géométriques de ces lignes. En outre, l'amélioration de la densité actuelle de l'infrastructure de télécommunications dans les zones rurales nécessiterait des investissements importants qui ne sont pas prévus. La fédération de réseaux et la connectivité hybride offertes par le réseau 6G sont des technologies clés pour compenser la non-régularité de la couverture radio dans les zones rurales [5]. Cependant, même en présence de réseaux non terrestres (par exemple, le réseau de satellites LEO), la connectivité du réseau peut être perdue à cause des tunnels, des zones densément boisées et des environnements montagneux. Dans cette thèse, nous proposons d'explorer un scénario original mettant en scène un train léger autonome associé à un réseau de plusieurs UAV (Unmanned Aerial Vehicles). Les drones peuvent voler devant ou autour du train. Ils peuvent agir comme des relais spécifiques pour étendre la couverture radio à proximité du train afin de maintenir une connectivité hybride avec différents réseaux sans fil, y compris des réseaux non terrestres (par exemple, le réseau de satellites LEO). Cela permettra d'assurer une communication ininterrompue même dans les zones où la couverture des réseaux terrestres est faible [6]. Des drones dotés de capacités de détection peuvent également être déployés avant le train pour s'assurer que les voies sont libres de tout obstacle, ce qui améliore la sécurité générale de la ligne. La 6G introduit des technologies clés prometteuses telles que la détection et les communications intégrées (ISAC) et la surface intelligente reconfigurable (RIS), que nous étudierons spécifiquement dans le cadre du doctorat, afin de résoudre les problèmes de connectivité et de sécurité. Les SIF sont une technologie émergente dans le domaine des communications sans fil et peuvent jouer un rôle clé dans l'amélioration de la connectivité et de la sécurité des lignes ferroviaires, en particulier des petites lignes secondaires [7, 8]. En effet, ils redirigent et concentrent les signaux dans les zones à faible couverture, telles que les tunnels ou les zones rurales. Les RIS sont des surfaces passives ou semi-passives, généralement composées de nombreux éléments contrôlables, qui peuvent manipuler des ondes électromagnétiques en temps réel. Sur les lignes secondaires dotées d'une infrastructure limitée, elle peuvent être installées stratégiquement sur des trains ou montées sur des drones [9]. Les RIS offrent une solution plus économique car elle peuvent améliorer la couverture du réseau et les systèmes de détection à un coût inférieur à celui de l'installation de nouvelles antennes ou de capteurs complexes. Les drones utilisés pour l'inspection des voies ou la détection d'obstacles pourraient bénéficier des RIS pour garantir une connexion fiable même dans des environnements difficiles (zones montagneuses ou densément boisées). En raison des pertes plus importantes, les techniques de formation de faisceau sont généralement nécessaires dans les bandes millimétriques. Lorsque le trajet en visibilité directe est bloqué ou masqué, la présence de RIS dans l'environnement de propagation peut créer de nouveaux trajets multiples puissants pour maintenir la connectivité. Un autre avantage est la capacité de formation de faisceau lorsque la surface intelligente est proche de l'antenne TX ou RX. Ainsi, en conjonction avec les drones, les RIS assureront des liaisons stables pour la surveillance en temps réel, offrant une solution flexible et rentable pour les lignes secondaires. La technologie ISAC vise à unifier les tâches de détection et de communication avec des compromis directs entre elles et des gains de performance mutuels. En raison des contraintes de poids, de taille et d'énergie des drones, l'ISAC pourrait être utilisé pour le nettoyage des voies en détectant les obstacles en temps réel et en communiquant instantanément ces informations au système de conduite automatique et aux gestionnaires du réseau ferroviaire [10]. Il existe différents niveaux d'intégration. Dans le scénario le moins intégré, le radar et les communications coexistent grâce à une isolation physique, telle que la séparation des fréquences, et se traitent mutuellement comme des interférences. Dans les ondes millimétriques, la gestion des interférences peut être assurée par la formation de faisceaux numériques, hybrides ou analogiques. Dans un scénario entièrement intégré, le gain d'intégration matérielle est maximal et la coopération assure la gestion des interférences. Dans ce cas, les formes d'onde de communication et de détection sont optimisées conjointement à l'aide d'algorithmes d'optimisation efficaces afin de respecter simultanément le taux de transmission de la communication et les performances de détection. Dans cette thèse de doctorat, un système de communication ISAC 6G assisté par RIS sera analysé dans le cadre d'un environnement ferroviaire mmW réaliste. En l'absence de connectivité à bord du train, les drones devraient servir de passerelles vers les réseaux terrestres et non terrestres. Le drone peut également aider à détecter les obstacles pour le dégagement des voies. Tout d'abord, un environnement 3D sera modélisé pour représenter la ligne ferroviaire secondaire, le train et les drones. Après une première simulation par traçage de rayons de l'environnement de transmission complet, nous étudierons la nécessité de mettre en œuvre une approche hybride de modélisation des canaux qui combine les résultats du traçage de rayons (simulateur CloudRT) et les modèles stochastiques basés sur la géométrie, comme l'a proposé l'équipe du professeur Ke Guan (Beijing Jiatong University, BJTU) [11]. En effet, dans le cadre de l'ISAC, la cible, le fouillis et les interférences doivent être modélisés avec précision, ce qui peut entraîner des temps de calcul prohibitifs. Deuxièmement, grâce à des simulations de canaux par traçage de rayons, les communications assistées par RIS entre le train et les drones seront évaluées. Dans ce scénario, nous supposons que la détection et la communication coexistent au niveau du drone qui ouvre la voie et s'appuient sur des systèmes matériels indépendants. Le positionnement du SIF sur le train permet de résoudre le problème de l'agilité du faisceau. Inversement, le montage du RIS sur le drone peut améliorer la connectivité avec le drone qui ouvre la voie, permettant ainsi un scénario NLOS. Les gains de performance, par rapport à un système sans RIS, seront évalués. L'évaluation des performances des systèmes ISAC et RIS nécessite une modélisation précise et efficace des canaux radio. Néanmoins, les modèles de canaux basés sur la stochastique ne donnent pas de bons résultats pour la détection ou le suivi dans les scénarios de détection. Troisièmement, pour réduire la surcharge de signalisation nécessaire à la formation de faisceaux dans un scénario de véhicule, l'ISAC peut mettre en œuvre des capacités de communication assistée par détection. L'émetteur à double fonction du train envoie le signal de détection vers le drone, puis utilise le signal d'écho reçu pour choisir le faisceau correct pour la transmission des informations. Dans ce cas, nous supposons que le drone dispose de sa propre fonction de détection des obstacles. Enfin, le système ISAC assisté par un SIF sera étudié lorsque le RIS est monté sur un drone afin de créer des liaisons virtuelles LoS pour la détection même si le train n'est pas en ligne de mire directe avec les obstacles. Dans ce cas, l'émetteur intégré à double fonction est placé sur le train et le drone sert de relais pour le signal de détection. L'objectif ultime est le système ISAC assisté par RIS, dans lequel le train autonome assure la fonction de détection, tandis que le drone n'est monté qu'avec RIS pour limiter la consommation d'énergie et la taille du matériel. [1] https://www.francemobilites.fr/solutions/la-ferromobile [2] https://pods4rail.eu/ [3] V. Nikolopoulou et al., "5GRAIL paves the way to the Future Railway Mobile Communication System Introduction," 2022 IEEE Future Networks World Forum (FNWF), Montreal, QC, Canada, 2022, pp. 53-57, doi: 10.1109/FNWF55208.2022.00018. [4] R. Liu et al., « 6G Enabled Advanced Transportation Systems », IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, vol. 25, no 9, p. 10564‑10580, sept. 2024. [5] P. Le Corre, PY. Petton, R. Fargeon
Mots-clefs:	ferroviaire, technologies 6G, perception, surfaces intelligentes reconfigurables, communications sans fil, ISAC

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