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1 Laboratoire des Signaux et Systèmes - Département de Recherche en Électromagnétisme LSS-DRÉ , Supélec, plateau du Moulon, 91190 Gif sur Yvette [email protected] 15 ème colloque Alain Bouyssy – 15-16 février 2007 Systèmes de Radio-communications “Très Large Bande”, un thème de recherche transversal 1 – Laboratoire des Signaux et Systèmes 2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande 3 – Mesures d'Antennes Large Bande 4 – Perspectives A. Diet, MCF UPS 11 Laboratoire des Signaux et Systèmes - Département de Recherche en Électromagnétisme LSS-DRÉ , Supélec, plateau du Moulon, 91190 Gif sur Yvette [email protected] 15 ème colloque Alain Bouyssy – 15-16 février 2007 Présentation du Laboratoire des Signaux et Systèmes (UMR 8506) Tutelles : CNRS / Supélec / UPS 11 Division Signaux Division Systèmes Département EMG (Supélec) Divisions Ondes Département de Recherche en Électromagnétisme « Systèmes » « Signaux » 1 – Laboratoire des Signaux et Systèmes

Systèmes de Radio-communications “Très Large … · tatouage de sons et d’images, téléphonie mobile) Division Signaux Division Systèmes ... Aux problématiques déjà identifiées,

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Laboratoire des Signaux et Systèmes - Département de Recherche en ÉlectromagnétismeLSS-DRÉ, Supélec, plateau du Moulon, 91190 Gif sur Yvette – [email protected]

15ème colloque Alain Bouyssy – 15-16 février 2007

Systèmes de Radio-communications “Très Large Bande”,

un thème de recherche transversal

1 – Laboratoire des Signaux et Systèmes

2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande

3 – Mesures d'Antennes Large Bande

4 – PerspectivesA. Diet, MCF UPS 11

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15ème colloque Alain Bouyssy – 15-16 février 2007

Présentation du Laboratoire des Signaux et Systèmes(UMR 8506)

Tutelles : CNRS / Supélec / UPS 11

DivisionSignaux

DivisionSystèmes

DépartementEMG

(Supélec)

DivisionsOndes

Département de Recherche en

Électromagnétisme« Systèmes »« Signaux »

1 – Laboratoire des Signaux et Systèmes

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Présentation du Laboratoire des Signaux et Systèmes(UMR 8506)

Tutelles : CNRS / Supélec / UPS 11

1 – Laboratoire des Signaux et Systèmes

Thèmes principaux développés :

- Prédiction et interpolation de signaux partiellement observés- Problèmes inverses (interface de la physique, des probabilités, des signaux et des images)- Traitement du Signal (TDS) en Télécommunications et outils pour le multimédia(égalisation, traitement d’antennes, séparation de sources, codage conjoint source-canal, tatouage de sons et d’images, téléphonie mobile)

DivisionSignaux

DivisionSystèmes

Thèmes principaux développés :

- L’analyse des systèmes dynamiques non linéaires (représentation de systèmes discrets et échantillonnés, passivité et stabilité)

- L’estimation des variables d’état ou des paramètres d’un système (un modèle dynamique non linéaire + données expérimentales, analyses numériques des problèmes inverses)

- La commande des systèmes continus, discrets, échantillonnés ou hybrides (concepts de passivité, d’échelles de temps multiples, de systèmes en cascade et de platitude).

- Les applications aux systèmes mécaniques, électromécaniques, électriques, électroniques, automobiles, biologiques, chimiques, hydrauliques.

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15ème colloque Alain Bouyssy – 15-16 février 2007

1 – Laboratoire des Signaux et Systèmes

Présentation du Laboratoire des Signaux et Systèmes(UMR 8506)

Tutelles : CNRS / Supélec / UPS 11

DépartementEMG

(Supélec)

DivisionsOndes

Thèmes principaux développés :

- Les Systèmes Rayonnants Complexes (structure du système et interaction avec l’environnement, modélisation et caractérisation expérimentale en champ proche ou lointain)

- Compatibilité Électromagnétique ou CEM dans le domaine automobile ou des télécommunications (influence d’un environnement perturbateur espace et temps sur un système électronique ou inversement)

- Problèmes Inverses des Ondes (caractériser les sources à l’origine d’un rayonnement mesuré, caractérisation d’objets enfouis en milieu stratifié, modélisation numérique pour contrôle non destructif, imagerie micro-ondes, électromagnétique ou acoustique d’objets immergés).

Ces domaines variés couvrent des fréquences allant du quasi-continu (ELF, courants de Foucault) à la dizaine de GHz.

Aux problématiques déjà identifiées, s'ajoutent celles liées au développement de nouveaux services sans fil et aux antennes

qui leurs sont destinées.

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Le Département de Recherche en Électromagnétisme (DRÉ)

- Chambre anéchoïque (base de mesures sphérique)- Chambre anéchoïque pour mesures en champsproche et lointain (base de mesures cylindriques)

- Chambre réverbérante (brassage de modes)- Caméra micro-ondes (2,45 GHz)- Mesures de DAS/SAR

1 – Laboratoire des Signaux et Systèmes

Présentation du Laboratoire des Signaux et Systèmes(UMR 8506)

Tutelles : CNRS / Supélec / UPS 11

DépartementEMG

(Supélec)

DivisionsOndes

VNA/PNA0.1-20 GHz

2 à 3 m

1 à 2 m

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Systèmes de Radio-communications “Très Large Bande”,

un thème de recherche transversal

1 – Laboratoire des Signaux et Systèmes

2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande

3 – Mesures d'Antennes Large Bande

4 – PerspectivesA. Diet, MCF UPS 11

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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande

Introduction sur l'ULB

Ultra Large Bande ou "Ultra Wide Band" : Terme introduit dans la littérature en 1992/1993 par Withington, Fullerton, Wu et Scholtz concernant les systèmes

de communication à étalement de spectre

C'est-à-dire

Un système pour lequel la bande passante occupée est volontairement (très) supérieure à la bande passante minimale nécessaire pour transmettre l'information

(cf. travaux de Shannon)

Avantages de l'étalement de spectre :- Robustesse face aux brouilleurs (intentionnels ou non)- Camouflage de l'information (sécurité)- Aspect multi-utilisateurs (les autres sont des brouilleurs)ceci nécessite l'orthogonalité

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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande

L'ULB et les systèmes de communication large bande

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

1

2

3

4

5

6

7

8

B normalisé

C(B)

( )

( ) ( )

=

=

+=

=

∞→

0

20

B

02

00

N

P 1.4427

elog N

PBC

B.N

P1B.logBC

variance:N RSBB.N

P

Quel est l'avantage des systèmes large bande ?- La capacité ? (c'est-à-dire un plus haut débit)

Il existe un débit maximum pour

une puissance du signal P donnée et

un bruit de variance N0 donné

P/N0 = 5

P/N0 = 2

P/N0 = 1

P/N0 = 1/2

5.log2(e) = 7.2135

2.log2(e) = 2.8854

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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande

Quel est l'avantage des systèmes large bande ?- La capacité ? (c'est-à-dire un plus haut débit)- La robustesse aux interférence (étalement de spectre)

L'ULB et les systèmes de communication large bande

Evanouissement fréquentieldu au milieu ou aux multi-trajets

Autre système de communication

bande étroite

Interféreursbloqueurs

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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande

L'étalement de spectre

Il existe trois méthodes d'étalement de spectre :

- étalement temporel ou "time hopping TH"

- étalement fréquentiel ou "frequency hopping FH"

- étalement par séquences pseudo-aléatoires ou "direct sequences DS"

DS se combine très aisément avec la répartition multi-utilisateurs par code : CDMA

temps

temps

Fréquence

2.F-code

2.F-dataFacteur d’étalement du spectre : SF (spreading factor)

data

code

F

FSF =

code

Données (data)

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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande

Co-existence et interopérabilité

L'ULB est défini sur une bande de 3 à 10 GHz (pour simplifier) où beaucoup d'autres applications existent déjà.

� Les systèmes de communication ULB doivent donc s'inscrire dans une démarche de co-existence et d'interopérabilité

Gabarit spectral UWB « indoor »

Fréquence en GHz

Gabarit spectral UWB « outdoor »

Fréquence en GHz

Den

sit é

de p

uis s

ance

d’é

mis

sion

(dB

m/M

Hz)

ETSIFCC« Part 15 limit » ETSI

FCC« Part 15 limit »

802.11aWiFiGSM 1800

/ UMTS

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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande

Co-existence et interopérabilité

L'effet proche/lointain "Near/Far" est également un problème. Comme pour tout les systèmes de communication, on défini une puissance moyenne et une puissance crête maximale

( ) ( )

( ) ( ) dBm 34 - B20.log Pmax

dBm B10.log41.3 Pmax

MHzen dB 3-10crête

MHzen dB 10-10moyenne

=

+−=

Ce sont des puissances très faibles en pratique, ce qui améliore la co-existence.Dans certains cas où le signal n'est pas continu (impulsions) il faut définir la

fréquence de répétition fr qui doit être inférieure à 1 MHz

L'ULB intègre aussi les aspects réseaux : couches PHY+MACPar exemple : liaison simplex interdite (10 sec de temps d'essai)

Multiplexage TDMA ou CDMA avec accès au réseau parfois en DAA

DAA : Detect And Avoid

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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande

Les différentes approches pour l'utilisation du spectre ULB

Choix d'une méthode de modulation de l'information où la bande passante est très large (et où la puissance est limitée).

Transmission d'un signal continu multi-porteuses :Le multi-bandes (MB-)OFDM

Transmission d'un signal discontinu :"Impulse Radio" IR

Transmission d'un signal discontinu :"Impulse Radio" modulé MB-IR

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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande

Transmission multi-porteusesSur sous-bandes(MB-OFDM,…)

Transmission par impulsionssur toute la bande B

(IR-UWB et ses dérivées)

Transmission par impulsionsSur des sous-bandes de B

(MB-IR-UWB, MB-OOK,…)

+ techniquesd'étalement de spectre si besoin

(DS, FH, TH,…)

Les différentes approches pour l'utilisation du spectre ULB

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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande

Détails de l'approche impulsionnelle

Codage de l'informationen impulsionnel :

- Modulation bi-phase(inversion)

- Modulation tout ou rien(OOK)

- Modulation par position(PPM)

- Impulsions modulées par une porteuse

- Impulsions orthogonales :Approche polynomiale

Hermite, Legendre, Laguerre, Geguenbauer,…

Temps de répétition

1 10

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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande

ULB haut débit "versus" ULB bas débit

- L'approche MB-OFDM correspond mieux à une transmission de l'information haut débit à faible portée. La puissance d'émission du signal est continue. Pour 128 porteuses modulées en QPSK sur une bande de 528 MHzon peut atteindre en théorie 480 Mbits/sec...mais à moins de 10 mètres.

� cette approche convient mieux aux applications du type MULTIMEDIA (W-USB?)ex : un CD de 700 Mb = 10 min à 10 Mbits/sec et 20 sec à 300 Mbits/sec

- L'approche impulsionnelle correspond mieux à une transmission très faible consommation, longue portée. Compte tenu de la largeur des impulsions, on peut obtenir une précision de localisation très intéressante :

� GPS : 10 m // ULB : 60 cm

Il y a donc deux grands domaines d'applications : haut débit (High Data Rate) et localisation (Low Data Rate)

Ces deux applications vont conduire à des réalisations de systèmes de communication et des traitements

de l'information très différents. Le point commun reste bien évidemment la réalisation et le traitement de

données "large bande"

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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande

Architecture des systèmes de communications ULB

Pour l'approche MB-OFDM, l'architecture de l'émetteur et du récepteur est assez classique, mais on doit faire face au problème de la largeur de bande dans le système. Les performances

de chacun des éléments sont modifiées de manière à couvrir la bande nécessaire.

+-

+-

Pour l'approche impulsionnelle, il faut repenser l'émetteur et le récepteur….- Comment mettre en forme le signal ? Comment détecter le signal correctement ?- L'information est elle portée par la présence du signal à un moment donné, ou par sa forme ?

Tout ceci conduit à des choix technologiques différents…ex. il existe (au moins) deux types de récepteurs : auto-corrélation (cohérent) et énergie (non-cohérent)

Traitement du signal

Détection de l'énergie

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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande

Le co-design

L'architecture du système doit prendre en compte les défauts en fréquence de chacun des éléments de la chaîneémission/réception. Il s'agit en fait d'une influence non-linéaire amplitude et phase en fonction de la fréquence.

Les antennes d'émission et de réception et le canal de propagation ont des caractéristiques extrêmementvariables en fréquence. Il faut également tenir compte des composants à l'interaction : les PA (Power amplifier)

et les LNA (Low Noise Amplifier). Une approche dite de co-design est nécessaire

PA LNA

- Gain (f)- Zout(f)- AM-AM (f,Pin)- AM-PM (f,Pin)

- DDR (f,θ,φ)- Φ (f,θ,φ)- Zin(f)

- bruit (f)- statistiques(ex multitrajets,…)

- DDR (f,θ,φ)- Φ (f,θ,φ)- heff (f)

- Gain (f) et NF (f)- Zin(f)- AM-PM (f)

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Systèmes de Radio-communications “Très Large Bande”,

un thème de recherche transversal

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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande

3 – Mesures d'Antennes Large Bande

4 – PerspectivesA. Diet, MCF UPS 11

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3 – Mesures d'Antennes Large Bande

(f1,θ,φ)

(f2,θ,φ)

(f3,θ,φ)

Le diagramme de rayonnement du champest fonction de la direction (θ,φ) et aussi de la fréquence :

( ) ( ) ( )ϕϕϕϕϕ ˆ θ,f,Hθ̂ θ,f,Hθ,f,H θ +=

Le problème central est le problème de la dispersion deL'antenne. trop souvent on confond une antenne multi-

bandes avec une antenne large-bande

frequence

frequence

frequence

frequence

Cas le plus contraignant : transmettre une impulsion

Fréquences retardées différemment : dispersion

Zg(f)

VgZa(f) Za(f)

h.E

(f,θ,φ)

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3 – Mesures d'Antennes Large Bande

Critères de conception d'une antenne ULB

On veut faire rayonner une antenne sur une très grande bande de fréquence, donc elle doit être peu sélective et peu dispersive.

Eviter les structures résonantes, ou alors avec un très faible Q : les

antennes épaisses (bulbous)

Minimiser le trajet du centre de phaseen fonction de la fréquence : structures

les plus petites possibles (miniaturisation).

…de plus, il faut penser à l'adaptation large bande (cf Return Loss < -10 dB de 3 à 10 GHz !)

- Antenne résonnante à faible Q- Antenne indépendante de la fréquence (cf principe de Rumsey)- Antenne à onde progressive (Vivaldi,…)- Antennes fractales ?- Adaptation par le principe de Babinet ?

Fréquencemaximale

Fréquenceminimale

Trajet du centre de phase

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3 – Mesures d'Antennes Large Bande

Critères de conception d'une antenne ULB

Principe de Rumsey :

Une antenne dont la géométrie ne dépend que d'un angle et pas d'une longueur est indépendante de la fréquence

Exemple : la spirale logarithmique

Principe de Babinet :

Le produit de l'impédance d'entrée d'une antenne (imprimée) et de son antenne complémentaire est constant : (60π)²

Exemple d'antenne fractale :Reproduction d'un motif permettant résonances sur des longueurs infinies (inf. de résonateurs)

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3 – Mesures d'Antennes Large Bande

Critères de jugement

( )( )

( ) ( )( )

( )

=

ϕϕ

θ,à reçue impulsion :y

émise impulsion :x

0 R0R

τR θ,F

τmaxyyxx

xy

Impulsion émise

1ère impulsion reçue

2ème

3ème

Antenne(θ1, φ1)

(θ2, φ2)

(θ3, φ3)

On peut juger de la fidélité d'une antenne en simulation une réception cohérente : c'est çà dire en quantifiant le degré de ressemblance entre l'impulsion reçue et l'impulsion émise. C'est la fidélité.

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3 – Mesures d'Antennes Large Bande

Critères de jugement

[ ] I Iareaspattern

radiation N

n

nxdBix ∑=

d cos dθ 4π

1 I

nmax(x)

nmin(x)

nmax(x)

nmin(x)

θ

θ

nx ∫ ∫=

ϕ

ϕϕϕ

( ) ( )4π

sinsin θ - θ I

nmax(x)

nmin(x)

nmin(x)

nmax(x)n

x

ϕϕ −=

Projection en 2D

0 dB

x dB

L1 L2

[ ] r.2π

LL I 21

dBix (2D) +

=

DDR (f)Caractérisation du comportement3D du diagramme de rayonnement

à chaque fréquence

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3 – Mesures d'Antennes Large Bande

Critères de jugement

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Ix en % d'angle solide rayonnée

Frequence en GHz

I-6 dBi

I-9 dBiI-10 dBi

F0

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3 – Mesures d'Antennes Large Bande

Mesures à l'analyseur de réseaux

Moteurs- 1) azimuth de la sonde- 2) polarisation de la sonde- 3) rotation du cône (support)

ParamètresS(f,θ,φ)

PNA 8753 0.1 – 20 GHz

LNA

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3 – Mesures d'Antennes Large Bande

Mesures en régime impulsionnel

Moteurs- 1) azimuth de la sonde- 2) polarisation de la sonde- 3) rotation du cône (support)

ParamètresTemporels

Fidélité(θ,φ)

Générateur d'impulsions

Oscilloscope(rapide)

LNA

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3 – Mesures d'Antennes Large Bande

c) F= 3 GHz

d) F= 5 GHz g) F= 11 GHzf) F= 9 GHze) F= 7 GHz

+5 dBi

-15 dBi

-35 dBi

∆mesure

∆simulation

0 dB

-10 dB

-20 dB

-30 dB5 GHz 10 GHz 15 GHz

θ

φ

θ : -155° à +155°et φ = 100°

Pour c) d) e) f) et g)

a) Adaptation de l'antenne b) conventions pour DDR

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0 5 10 15-5

0

5

10

15

20

25

30

θ : 25° φ : 50°

θ : 17° et 20°φ : 20°

θ : 12°φ : 50°

θ : 10° et 30°φ : 70°

2,5 rad/GHz

0,2 rad/GHz

30 rad

25 rad

20 rad

15 rad

10 rad

5 rad

-5 rad

Phase du coefficient de transmission de l'antenne

5 GHz 10 GHz 15 GHz Trajet de la sonde

Rotation du socle (cône)

Mesures en chambre Anéchoïqueau LSS-DRÉ (CNRS-Supélec-Paris XI)

3 – Mesures d'Antennes Large Bande

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3 – Mesures d'Antennes Large Bande

La Fidélité est calculée pour

différentes directions (θ, φ) à 1 m

Position angle(radius = 1m)

Théta (θ) Phi (φ)vector

θ

Fidelity

76.2 %45° 0°

φ 98.0 %45° 45°

θ 90.5 %130° 45°

φ 96.2 %130° 45°

θ 85.6 %-130° 45°

φ 79.8 %-130° 45°

θ 83.7 %130° -45°

φ 69.2 %130° -45°

θ 85.4 %130° 130°

φ 94.1 %130° 130°

θ 82.8 %45° 130°

φ 87.3 %45° 0°

φ 89.8 %45° 130°

θ 84.4 %45° -130°

φ 77.1 %45° -130°

θ 84.5 %45° -45°

φ 71.8 %45° -45°

θ 77.6 %130° 0°

φ 90.8 %130° 0°

θ 68.1 %-130° 0°

φ 92.0 %-130° 0°

φ 90.0 %-45° 0°

θ 50.0 %-45° 0°

θ 88.8 %45° 45°

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Frequence en GHz

I-6 dBi

I-9 dBiI-10 dBi

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Laboratoire des Signaux et Systèmes - Département de Recherche en ÉlectromagnétismeLSS-DRÉ, Supélec, plateau du Moulon, 91190 Gif sur Yvette – [email protected]

15ème colloque Alain Bouyssy – 15-16 février 2007

Systèmes de Radio-communications “Très Large Bande”,

un thème de recherche transversal

1 – Laboratoire des Signaux et Systèmes

2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande

3 – Mesures d'Antennes Large Bande

4 – PerspectivesA. Diet, MCF UPS 11

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4 – Perspectives

Conception Et mesures

d'antennes ULB� paramètresfréquentielset temporels

Extraction d'un modèle en temporel,Représentation pour simulation numérique

Dans une châine d'émission/réception(méthode de modélisation pôle/résidus…)

informationSignalULB

AntenneTx

AntenneRx

CanalULB

Quantifier l'influence (dispersive) des antennes sur la qualité de la liaison

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Systèmes de Radio-communications “Très Large Bande”,

un thème de recherche transversal

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