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Chapitre II. Etat de l’art des technologies utilisées dans les applications du Home & Building

II.3. Les protocoles sans fil RadioFréquences dédiés aux systèmes HBA

II.3.1. KNX-RF

Figure II-4 : La stack du protocole KNX-RF

Bien qu’historiquement le standard KNX ne proposait que des solutions filaires, une version sans

fil existe [46]. La toute première spécification du standard radio international ouvert KNX-RF (1.1)

date de 2001. Cette première version n’a évolué qu’en 2010 et est alors appelée KNX-RF « Ready ».

Elle a introduit la configuration « Push-Button » et opère selon un Duty-Cycle de 1% sur une

fréquence unique de 868,3 MHz en utilisant une modulation FSK avec une déviation de +/- de 40 à 80

kHz (60 kHz typiquement), un encodage Manchester et un débit de chips de 32,768 kchip/s. Une

démodulation non-cohérente peut être utilisée en réception [47]. C’est en 2011 que KNX-RF Ready a

été étendue à une nouvelle norme appelée « Multi ». Le Tableau II-3 montre les différences entre ces

deux versions. KNX-RF-Multi rajoute quelques mécanismes de robustesse radio et permet une

communication bidirectionnelle. Un aperçu global de la stack KNX-RF composée de 4 couches OSI

est illustré dans la Figure II-4.

Tableau II-3 : Les différences entre KNX Ready et KNX Multi [48]

Caractéristiques KNX-RF 1.1 et KNX Ready

RC1180-KNX1

KNX Multi RC1180-KNX2 Propriétés spéciales Communication transparente Répéteur / Retransmetteur

Composants Emetteur et récepteurs Emetteur, récepteurs et répéteurs

Nombre de canaux 1 3 Canaux Fast / 2 Canaux Slow

Nb max de numéros de série installés 1 64

(LBT) Listen Before Talk Non Oui

Acquittement Non Oui

La composition d’une trame KNX-RF est représentée sur la Figure II-5. Elle consiste en un

préambule, un postambule et jusqu’à 4 blocs de données : un 1

er

bloc de 10 octets, 2 blocs de 18 octets

et un dernier bloc de 10 octets. Chacun inclut un CRC de 2 octets pour détecter les erreurs.

Comme noté dans le Tableau II-4, KNX-RF Multi opère sur 5 canaux RF différents et permet

l’agilité en fréquences. Les cinq canaux sont divisés en deux catégories principales (Tableau II-4). La

première est composée de 3 canaux radio « rapides » (Fast F1, F2, F3) d’un débit de chip de 32,768

kchip/s. La deuxième catégorie est composée de 2 canaux radio lents (Slow S1, S2) d’un débit

inférieur de 16,384 kchip/s.

Concernant leurs usages, les canaux "Fast" sont destinés aux systèmes nécessitant un temps de

réaction rapide (environ 42 ms pour l’actionnement typique d’une lampe) entre l’émetteur et

l'actionneur (lampes ou volets). Quant aux canaux "Slow", ils sont destinés à des systèmes qui n’ont

pas besoin d’un temps de réponse critique (commande de chauffage), ils comprennent les dispositifs

qui mettent en œuvre un Mode de Réception Non-Permanent (MRNP) avec un temps de réaction

d'environ 500 ms. Les dispositifs MRNP sont en veille lorsqu’ils ne sont pas en train de scanner les

paquets KNX-RF afin de réduire la consommation en énergie. Ceci permet aux produits tels que les

vannes de chauffage, les thermostats, les capteurs et les alarmes d'être alimentés par batterie et

d'obtenir des durées de vie allant de 2 à 7 années avec les technologies de batterie communément

utilisés dans le marché.

Tableau II-4 : Les caractéristiques physiques des différents canaux de KNX-RF [48]

Type de canal Fréquence (MHz) Déviation FSK (KHz) Duty Cycle Débit Chip (Chip/s) Longueur du préambule (ms) Ready 868,300 (48-80) Typ. 70 1% 32768 15 F1 : 1er canalFast

(canal de rappel) 868,300 (48-80) Typ. 66 1% 32768 15

F2 : 2ème canal

Fast 868,950 (48-80) Typ. 66 0,1% 32768 15

F3 : 3ème canal

Fast 869,850 (48-80) Typ. 66 100% 32768 15

S1 : 1er canal Slow

(canal de rappel) 869,850 (20-65) Typ. 35 10% 16384 500

S2 : 2ème canal Slow 869,525 (20-65) Typ. 35 100% 16384 500

Par ailleurs, contrairement aux autres protocoles, KNX a l’avantage de proposer aux utilisateurs

des méthodes de configuration centralisées et homogènes pour tous les produits (filaire et sans fil) et

qui varient en fonction de la complexité de l’installation. KNX couvre en effet trois types de

configuration [49]-[50] : Easy mode (E-mode), System Mode (S-Mode) et Automatic Mode

(A-Mode).

S-Mode est le mode de configuration historique de KNX car il avait déjà été défini dans le

standard EIB. C'est un mode de configuration privé préconisé par l'association KNX. Il permet de

télécharger une application dans un produit, et de configurer celle-ci, par le biais du logiciel ETS

(Engineering Tool Software) distribué par l'association. Cette procédure est très puissante et peut être

utilisée dans des installations très complexes. S-Mode est conçu principalement pour des techniciens

qualifiés ayant une expérience avec les réseaux KNX. C'est le mode qui offre le plus de

fonctionnalités, les autres modes étant des versions simplifiées.

E-Mode ne nécessite, quant à lui, pas l’utilisation d’un logiciel sur PC. Ce mode peut être divisé

en plusieurs sous-modes. Parmi ceux-là, le mode « Easy Controller » et le mode « Push Button ».

Comme son nom l'indique, le mode Easy Controller nécessite un dispositif de contrôle dans le réseau

KNX qui exécute le processus de configuration en fonction de règles définies. Le mode Push Button

ne nécessite pas d'outil et de dispositif auxiliaire, la configuration se fait en appuyant et en choisissant

les fonctionnalités désirées au niveau des produits mêmes.

A-Mode est le moins répandu car il est voué à disparaître. Il permet de faire fonctionner

l’ensemble des produits préconfigurés, sans utiliser d'outil de programmation. Il n’existe actuellement

aucun produit qui supporte ce mode sur le marché.

II.3.1.2.Les mécanismes de robustesse de KNX-RF

La dernière version "Multi" de la norme KNX-RF met en œuvre un certain nombre de

mécanismes de robustesse qui minimisent les risques de perturbations radio. Cependant, une étude

approfondie et claire sur la performance radio de ce standard n'a jamais été réalisée jusqu'à présent

dans la littérature recherche. Les mécanismes et les paramètres ayant un impact direct sur la robustesse

du standard KNX-RF-Multi ont été répertoriés et classés en fonction de leur position dans le modèle

OSI dans le Tableau II-5. Dans le cadre de ces travaux, chaque mécanisme et paramètre a été explicité

et son intérêt identifié.

Tableau II-5 : Les mécanismes de robustesse de KNX-RF-Multi et leurs fonctions

Mécanisme de robustesse Position OSI

Modulation PHY

Débit PHY

Filtre extérieur Hardware

Duty Cycle MAC + Application

Fast-ACK MAC

Listen Before Talk (LBT) MAC

Retransmission et

Agilité en fréquences adaptative MAC + PHY

Retransmission des paquets MAC

Inter-frame et Random Time MAC

a) Modulation

La modulation est un moyen efficace pour réduire les taux d’erreurs binaires et le bruit après sa

première fonction : transporter les données. Chaque type de modulation a sa propre valeur de la

fonction d'erreur qui se comporte différemment en présence du bruit. Par exemple, la robustesse de la

modulation FSK diminue lorsque l'on augmente l'ordre de modulation. En outre, la modulation FSK

est un bon compromis, car elle permet un développement facile pour les développeurs RF dans les

départements R&D des entreprises.

b) Débit

Un faible débit de données conduit à la réduction de la largeur de bande du signal. Des niveaux

inférieurs de bruit sont donc reçus et le rapport signal sur bruit (SNR) est amélioré.

c) Rajout d’un filtre externe à la puce RF

Les filtres jouent un rôle important dans l'augmentation de l'immunité au bruit puisqu’ils limitent

les propagations d'énergie du signal dans les canaux adjacents et protègent la bande de l'utilisateur des

signaux parasites et du bruit. C’est pourquoi les filtres utilisés doivent avoir une bonne qualité de

sélection.

d) Rapport cyclique (Duty Cycle)

Le Duty Cycle est défini comme étant le rapport, exprimé en pourcentage, du maximum temps où

l’émetteur est en mode « ON » durant une heure, divisé par une heure. Un produit HBA est déclenché

soit automatiquement soit manuellement, et en fonction du type du déclenchement le rapport cyclique

est soit fixe soit aléatoire. Plus le Duty Cycle est élevé, plus la probabilité de perdre des paquets à

cause des interférences augmente.

e) Acquittement (Fast-ACK)

Le principal risque dans un environnement KNX-RF-Multi est d'avoir deux produits (ou plus) qui

émettent en même temps sur le même canal RadioFréquences. Comme il n'est pas possible d'éviter

cela, le système doit détecter ces situations et faire des retransmissions pour atteindre la destination.

Dans ce cas, un accusé de réception est nécessaire. Un acquittement ou ce que l’on appelle le «

Fast-ACK » est autorisé par la norme ETSI EN300220 [12], à condition qu'il soit envoyé par la destination

au cours des 5 premières millisecondes après la fin de la trame reçue. L’algorithme mis en place pour

l’émission et la réception d’acquittement est illustré Figure II-6. Le Fast-ACK est optionnel, chaque

fabricant choisit de l’utiliser ou pas.

Figure II-6: Algorithmes d’acquittement KNX (Rx / Tx)

Pendant la phase de configuration, un émetteur doit savoir s’il est susceptible de recevoir des

Fast-ACKs ou pas. Par conséquent, dans le cas d'une communication Multicast avec un Fast-ACK

demandé, l'émetteur ne considère que les acquittements des produits avec lesquels il est appairé après

la phase de configuration. Les appareils qui ne supportent pas le Fast-ACK sont considérés par défaut

comme ayant reçu la trame. Pour indiquer au récepteur qu’un Fast-ACK doit être envoyé une fois la

trame reçue, le bit 4 de la trame KNX reçue doit être mis à 1. De plus, pour avoir assez de temps pour

analyser le contenu de la trame reçue, une extension de temps de 9 ms appelé « Postambule with End

Of ACK (EOA) » est nécessaire. Ce postambule a une longueur totale de 20 octets, soit 9,76 ms avec

32 768 kchip/s en mode Fast. En mode Slow, le postambule dure 19,53 ms avec un débit de 16384

kchip/s.

Figure II-7 : Fenêtres de réception des acquittements (Fast-ACK)

Le nombre de Fast-ACK attendu doit être compris entre 1 et 64 pour éviter d'avoir des latences

trop importantes. Dix millisecondes après la réception complète de la trame (soit 1 ms après la fin du

Postambule with EOA), le premier récepteur transmet un Fast-ACK dans une fenêtre de temps fixée à

5 ms (Figure II-7). Le Fast-ACK doit toujours être envoyé sur le même canal RF que la trame qu’il

acquitte. Le Fast-ACK doit avoir une longueur totale de 7 octets, ce qui correspond 3,41 ms à 32786

kchips en mode Fast.

Réception de Fast-ACK

Dans le cas d’une communication entre plusieurs appareils, si un ou plusieurs Fast-ACK ne sont

pas reçus, l’émetteur retransmet de nouveau la trame pour essayer d’atteindre le ou les récepteurs,

mais cette fois-ci sur le canal RF suivant. Le mécanisme d’acquittement des trames doit s'arrêter après

trois tentatives successives immédiates sur les deux canaux radio suivants le canal d’appel, et le canal

d'Appel (F1 pour le mode Fast et S1 pour le mode Slow). Une séquence typique dans le mode Fast

serait F1, et tentatives sur F2, F3 puis F1. Pour le mode Slow le séquencement serait S1, et tentatives

sur S2 puis S1.

f) Listen Before Talk (LBT)

Le LBT est une mesure prise par un émetteur pour s’assurer qu’un canal est libre avant de

transmettre sa trame. L’algorithme associé au LBT est schématisé Figure II-8. Le changement

dynamique d'un canal peut être déclenché de trois façons : soit en détectant que le canal est occupé

après un Listen Before Talk (LBT), soit en détectant que la durée maximale allouée à l’occupation du

canal est atteinte, soit en évaluant la qualité du bilan de liaison radio.

Le seuil du LBT est défini comme étant le niveau du signal reçu au-dessus duquel l'appareil peut

déterminer que le canal n'est pas disponible pour l'utilisation. Si le signal reçu est inférieur à ce seuil,

l'équipement peut alors savoir que le canal est libre. Le LBT est utilisé pour partager le spectre entre

les transceivers SRD (Short Range Devices) qui ont une puissance et une bande passante similaire.

Afin de profiter au maximum des canaux disponibles, le LBT doit être combiné à une option d'agilité

de fréquence adaptative (Adaptive Frequency Agility).

b) Inter-Trame et temps aléatoire d’accès au média

Le temps d’Inter-Trame est l'intervalle de temps au cours duquel un produit bidirectionnel doit

attendre pour transmettre sur un canal libre. Si aucun préambule n’est détecté pendant l’Inter-Trame,

le dispositif peut commencer à transmettre. Si une trame est reçue alors que la couche physique reçoit

de la couche MAC une requête d’envoi, le temps d’Inter-Frame commence après que la trame soit

entièrement reçue, c'est-à-dire après que le dernier CRC soit reçu. Idem pour l’envoi d’une trame : si

la couche physique reçoit une requête d'envoi alors qu'elle est déjà en train de transmettre une trame,

l’Inter-Frame commencera alors lorsque le dernier CRC serait transmis.

Pour éviter que plusieurs systèmes dans la même bande de fréquences subissent des collisions

continues et systématiques, le temps de transmission de l’émetteur ne doit pas être strictement

périodique ; d’où l’utilisation d’un temps aléatoire appelé Random Time. Ceci est particulièrement

important étant donné que ces systèmes sont souvent contrôlés par des oscillateurs à quartz

extrêmement stables, ce qui peut engendrer des collisions périodiques dans le système pendant des

heures.

Les durées exactes de l’Inter-Trames, du temps aléatoire ainsi que la durée total d’accès au média

sont présentées dans le Tableau II-6 pour les différents modes de KNX-RF.

Tableau II-6 : Les temps d’accès au média en émission et la durée du time-out en réception

Type de trame Temps

d’Inter-Trame Temps aléatoire

Temps total d’accès au média

Ready 15 ms [0, 15] ms [15, 30] ms

Multi Fast 30 ms [0, 20] ms [30, 50] ms

Multi Slow 60 ms [0, 40] ms [60, 100] ms

c) Agilité en fréquence adaptative (Adaptive Frequency Agility : AFA)

AFA (Adaptive Frequency Agility) est défini comme étant la capacité d'un équipement à modifier

dynamiquement le canal dans ses fréquences disponibles pour assurer un bon fonctionnement de la

communication radio. Dans le cas d’une communication entre plusieurs appareils, si un ou plusieurs

Fast-ACK ne sont pas reçus par l’émetteur, celui-ci renvoie de nouveau la trame pour essayer

d’atteindre le ou les récepteurs, mais cette fois-ci sur le canal RF suivant. L’algorithme gérant les

pertes de trames et l’agilité en fréquence est représenté Figure II-9.

Figure II-9 : Algorithme de gestion de perte de trame dans KNX-RF

d) Durée de la communication

Dans le cas où l'on rajouterait des fonctions de sécurité KNX, les trames seraient plus longues ce

qui prolongerait la durée de la communication et augmenterait la probabilité de collision des trames.

L’amélioration de la robustesse est corrélée avec la consommation du système. En effet, le réveil de la

partie radio dûes à son propre protocole, d’autres protocoles RF à la même fréquence ou dans les

bandes adjacentes, par fausses détections augmente la consommation. Il est donc important

d’améliorer cette caractéristique robustesse tout en répondant aux objectifs de basse consommation.

II.3.2.ZigBee