On ne peut parler d’avantages de la technologie à ultra large bande dans les réseaux de capteurs sans fil sans faire le rapprochement avec les systèmes à bande étroite. On peut se poser des questions sur l’importance des communications large bande par rapport à la bande étroite. Le théorème de Shannon donne un élément de réponse à cette question. Il expose la formule de la capacité d’un canal de communication [52]. Shannon montre que la capacité d’un canal de communication augmente de façon linéaire avec la largeur de bande du signal et de façon logarithmique avec le rapport signal sur bruit. En conséquence, il est plus intéressant d’accroître la largeur de bande afin d’obtenir des débits importants au lieu d’augmenter le rapport signal sur bruit. C’est le fondement majeur de la large bande par rapport aux systèmes à bande étroite. Pour les applications à faible débit, la large bande permet d’obtenir des communications sur des portées plus importantes.
58 Comme autre avantage de la IR-UWB, on peut citer sa très grande résolution temporelle. Cette particularité rend les systèmes UWB plus robustes aux phénomènes d’évanouissements multi-trajets. Le récepteur UWB est plus apte à discerner chacun des trajets [53]. C’est ce qui explique la faible probabilité de recombinaison destructive des trajets. Une autre conséquence importante de la très bonne résolution temporelle de la IR-UWB est son exploitation dans les systèmes de localisation. Ce service est obtenu par la mesure du Time of Flight (ou temps de vol présenté précédemment en 1.3.1.2.2.) qui permet d’atteindre une précision de l’ordre de quelques centimètres. La technologie UWB se positionne donc comme le candidat pour l’implémentation des systèmes de positionnement en environnement cloisonné [54].
Le tableau 5 récapitule les principaux bénéfices et avantages et des systèmes de communication UWB par rapport aux systèmes à bande étroite.
Tableau 5 : Bénéfices et avantages et des systèmes UWB par rapport aux systèmes à bande étroite [55]
Avantage de l'ULB Impulsionnelle Bénéfice par rapport radio bande étroite Coexistence avec des systèmes radio à bande
étroite et à large bande
Evite les licences coûteuses
Grande capacité de canal Haut débit pour supporter de la vidéo haute définition en temps réel
Aptitude à travailler avec un faible SNR Offre une haute performance dans des environnements bruyants
Faible puissance d’émission Fournit une sécurité élevée avec une faible probabilité de détection et d’interception Haute performance en multicanaux Plus grande puissance du signal dans
des conditions défavorables Architecture simple Faible consommation et faible coût
Une comparaison effectuée dans [54] est présentée dans le tableau 6. Elle expose les différences entre les techniques de transmission en bande étroite et les techniques UWB.
Tableau 6 : Comparaison des techniques bande étroite et ultra large bande
Bande étroite Ultra Large Bande
Effets de la propagation Sensible au fading Résistant au fading
Disponibilité du spectre Faible Elevée
Implémentation Analogique/Numérique Tout Numérique possible
Erreur de localisation 27.0% 0.01%
Energie consommée en émission 40mW 1mW
Energie consommée en réception 40mW 20mW
Débit 250 Kbps 0.85 Mbps
Bande passante 1 MHz 500 MHz
Fréquence centrale 868MHz, 2.4GHz 4GHz, 7GHz
Portée typique 10 à 100 m 10 à 40 m
Dans cette section, nous avons présenté la couche physique de la technologie UWB. Nous avons présenté ses bandes de fréquences, son format de trame tout en mettant l’accent sur ses avantages dans les réseaux de capteurs sans fil. Elle a été introduite particulièrement dans le domaine des réseaux de capteurs sans fil grâce à ses nombreux avantages, notamment en ce qui concerne la précision de la localisation par des techniques de temps vol. Cette dernière caractéristique nous a encouragé à étudier cette technologie dans un contexte de localisation.
59 Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons commencé par exposer la problématique générale de nos travaux de recherche. Ensuite, nous avons rappelé les principales métriques de ranging et les protocoles de référence de ranging rencontrés dans la littérature. Enfin nous avons passé en revue des technologies sans fil à basse consommation où nous avons porté une attention particulière sur la technologie UWB. Les avantages de cette technologie sont la simplicité de l’architecture des capteurs, la résistance aux évanouissements, sa faible consommation énergétique mais surtout sa très forte résolution temporelle qui peut être exploitée dans le contexte de notre travail qui est la localisation par ranging de type ToF.
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ROPOSITION D
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UN PROTOCOLE DE RANGING POUR LES
61 Position du problème
Bien que les signaux UWB soient particulièrement robustes (DSP limitées qui permet d’éviter des interférences, plus le caractère impulsionnel qui confère une bonne résistance aux évanouissements), ses bonnes propriétés ne suffisent pas pour obtenir un ranging de qualité : la précision du ranging dépend fortement des quartz des nœuds car ils entrainent par définition des horloges différentes. La dérive des horloges n’est pas négligeable lors des échanges. Maintenir la synchronisation des nœuds nécessite par exemple l’usage de plusieurs messages de contrôle ou un ajout de matériel (très onéreux) pour réduire la dérive de l’horloge. Compte tenu des caractéristiques matérielles généralement recherchées dans les réseaux de capteurs sans fil, ces solutions ne sont pas adaptées pour un système de système de ranging dans un tel réseau.
La performance du ranging dépend aussi de la souplesse du protocole (d’un point de vue surcharge protocolaire) et de la capacité du protocole à pouvoir faire communiquer de façon séquentielle tous les nœuds du réseau.
Dans ce deuxième chapitre, nous justifions le choix du ToF par rapport au RSSI, pour parvenir à un ranging de qualité. Nous présentons par la suite la problématique de notre travail puis le cahier de charges. Nous faisons, pour terminer, une présentation théorique de notre protocole.
2.1.1 Problématiques de recherche
L’objectif principal de ce travail de thèse consiste à proposer et implémenter un système d’évaluation de la distance basé sur le ToF offrant suffisamment de précision pour localiser un objet connecté. Ce système doit être à la fois robuste, original et adapté à la localisation en intérieur. Comme objectif final, nous prévoyons d’intégrer les informations de ranging dans le trafic natif du réseau. Cette spécificité de notre système nous permettra de développer le concept de ‘‘ranging opportuniste’’, c’est-à-dire évaluer la distance entre deux nœuds (objets connectés par exemple) du réseau à chaque échange de trame. Notre solution devra prendre en compte les propriétés intrinsèques des réseaux de capteurs sans fil. Il doit être très léger du point de vue de l’overhead11, et devra reposer sur des mécanismes de la couche
physique de l’Ultra Wide Band, définie dans le standard [1] [2] et améliorée par [4] afin d’obtenir un
ranging performant.
La topologie est une caractéristique importante dans les réseaux de capteurs sans fil. Elle devrait minimiser des contraintes comme la consommation énergie et tenir compte de la faible ressource (CPU, RAM, débit sur les liens sans fil, portée radio…) dont disposent les nœuds capteurs pour le traitement et l’échange des données.
Le coût énergétique d’une trame reçue, par exemple, dépend en particulier de sa taille. Le coût énergétique dans l’état de réception est généralement plus important que l’état d’émission [4][56]. La topologie va, par exemple, définir si les trames doivent être transmises en mode unicast, c'est-à-dire envoyées à un destinataire ou en mode broadcast, c'est-à-dire diffusées à tous les nœuds à portée. Elle doit aussi assurer un taux d’interférence négligeable et une portée entre les nœuds qui minimisent la probabilité de perte de trame.
Dans la solution que nous proposons, nous prévoyons des nœuds fixes et des nœuds mobiles, certains à portée radio donc à un saut. Chaque nœud diffuse sa trame et se met en réception pendant une période définie dans l’attente d’une trame diffusée. Nous nous proposons aussi d’améliorer les performances du
ranging en apportant une attention particulière sur le nombre de trames échangées.
62 2.1.2 Hypothèses
Afin d’avoir une vision claire de notre démarche, nous allons nous baser sur trois hypothèses :
1) Dans la norme IEEE 802.15.4-2011, lors des échanges, les protocoles de ranging ont la capacité de marquer les instants d’émission et de réception des trames. Chaque nœud dispose de sa propre estampille temporelle et à la fin de la session, une dernière trame est émise par un nœud contenant ses propres estampilles d’émission et de réception (section 1.4). Dans notre contexte d’étude, nous souhaitons déposer (c'est-à-dire transporter) l’instant d’émission d’une trame dans un champ de cette trame émise. Nous validerons cette hypothèse dans le chapitre 3 par une solution technologique.
2) La topologie des réseaux de nœuds communicants est parfois basée sur le principe de réseau complètement maillé ou full mesh, qualifié également de clique. Nous disposons de nœuds fixes (ou ancres) dont on connait la position et des nœuds mobiles qui cherchent à connaitre leur position. Tous ces nœuds sont à portée les uns des autres et à un saut. Si tous les liens entre les nœuds ne sont pas possibles, on parle alors de topologie partiellement maillée (ou simplement maillée). C’est le cas le plus courant et sur lequel nous allons travailler (Figure 36). La portée entre les nœuds est une conséquence des caractéristiques de la couche physique imposée par le standard. Elle est réduite (jusqu’à quelques dizaines de mètres) à cause du niveau de puissance définie (-41.3 dBm/Mhz).
Figure 36 : Topologie générale du réseau de nœuds communicants dans un contexte de localisation
Une telle topologie est composée de plusieurs zones de ranging. Une zone de ranging est un ensemble de nœuds fixes et mobiles qui s’échangent des trames dans le but de se localiser dans l’environnement. Dans la Figure 36, il existe trois zones de ranging : en bleu, rouge et jaune. Dans la première zone (en bleu) se trouvent 5 nœuds. Quatre nœuds sont fixes (nœuds d’adresse 4, 5, 6 et 7) et un nœud est mobile (nœud d’adresse 1). Le nœud d’adresse 4 va évaluer la distance qui le sépare des nœuds d’adresses 4, 5, 6 et 7 dans l’objectif de se localiser. Le nœud d’adresse 1 (nœud mobile) peut faire aussi un ranging avec un autre nœud mobile (le nœud d’adresse 2 par exemple), l’objectif est alors de se localiser en s’aidant aussi de ce nœud 5 si ce dernier, même mobile, connait sa position dans l’environnement.
3) Dans la norme IEEE 802.15.4-2011, il est possible d’introduire des paramètres de correction d’erreur dans le protocole de ranging en fonction de la qualité des quartz de chaque nœud. Cette spécificité vise à réduire l’erreur de synchronisation liée à la dérive des horloges. Dans notre
63 contexte, nous prévoyons de pouvoir, à chaque trame reçue, effectuer une analyse d’asservissement de l’horloge de réception (DLL : Delay Locked Loop). Cette analyse, réalisée par le tranceiver radio, nous permettra d’évaluer la différence d’horloge entre l’horloge du nœud récepteur et l’horloge du nœud qui vient d’émettre la trame.
Nos travaux de recherche se basent sur ces hypothèses. Nous allons, dans ce chapitre, présenter nos idées qui prennent en compte ces différentes hypothèses, et dans le chapitre suivant, les valider par des solutions techniques et informatiques, et des preuves de concept par prototypage réel.