Préconisations pour l’éco-conception de l’infrastructure

La modélisation des impacts environnementaux du réseau nous a permis de mettre en

lumière les facteurs de l’impact environnemental du réseau. Nous détaillons ici ces

facteurs et en déduisons des préconisations d’éco-conception. Nous étant déjà

intéressés dans la section précédente aux caractéristiques de conception des

équipements pris individuellement (section 2.1. « Etape 1a – Analyse des

équipements »), nous nous concentrons ici sur les caractéristiques de leur intégration

dans le réseau. Rappelons que l’impact du réseau est, comme défini par l’équation 9

du chapitre 3 (section 2.1.2) et résumé ici par la figure 25, la somme des impacts de ses

nœuds. L’impact du réseau dépend donc du nombre de nœuds et de l’impact de

chaque nœud. Par conséquent, deux axes d’amélioration sont disponibles : diminuer le

nombre de nœuds et diminuer l’impact d’un nœud.

107

Figure 25 - Caractéristiques influant sur l'impact du réseau.

2.2.4.1. Diminuer le nombre de nœuds

Chacun des trois types de nœuds (concentrateur, répéteur et capteur) peut faire

l’objet d’une stratégie de déploiement optimal. Pour ce qui est des capteurs, cette

stratégie est fortement contrainte par la localisation de l’information à fournir. Ainsi

dans l’exemple étudié, le placement des capteurs est défini par le positionnement des

points d’apport volontaire, et il n’existe donc pas de marge de manœuvre. Pour ce qui

est des répéteurs et des concentrateurs, le placement est contraint par celui des

capteurs, par la topologie urbaine et par la portée des équipements. Cette portée est

limitée par la puissance d’émission, la sensibilité en réception et les distances relatives

entre équipements. Ces liens de dépendance sont présentés par la figure 26.

Figure 26 - Caractéristiques influant sur le nombre de nœuds.

Afin de minimiser le nombre de répéteurs et de concentrateurs, nous pouvons

formuler les préconisations suivantes :

- Optimiser le déploiement des répéteurs et des concentrateurs en fonction du

positionnement des capteurs. Dans l’exemple présenté, le déploiement des

répéteurs correspond à une grille homogène à motif triangulaire. Or le

déploiement des capteurs est lui hétérogène, et n’a pas été conçu en fonction

des capteurs. Il est donc possible de trouver un déploiement minimal de

répéteurs pour couvrir les capteurs.

- Augmenter la portée des équipements. Ceci peut se faire par une augmentation

de leur puissance d’émission et de leur sensibilité de réception. Placer des

équipements de manière à ce que la perturbation des communications soit

minimale est aussi une stratégie.

- Questionner la criticité des données et par conséquent le taux de pertes

maximal permettant d’opérer le service. Voir section 4.1 « Caractéristiques des

données influant sur l’impact de l’infrastructure ».

108

2.2.4.2. Diminuer l’impact de chaque nœud

Les caractéristiques influant sur l’impact d’un nœud sont présentées par la figure 27.

Diminuer l’impact de chaque nœud nécessite de prêter attention aux trois phases du

cycle de vie du réseau (déploiement, opération, démantèlement).

Pour ce qui est des phases de déploiement et de démantèlement, ceci revient

respectivement à diminuer l’impact du déploiement du premier équipement

matérialisant le nœud et celui du démantèlement du dernier équipement

matérialisant le nœud. Ceci revient à mener une réflexion au niveau équipement,

réflexion que nous avons présentée en section 2.1 « Etape 1a – Analyse des

équipements ».

Pour ce qui est de la phase d’opération, nous pouvons distinguer les équipements sur

batterie et les équipements sur secteur : l’impact des premiers est dû à leurs

remplacements pour cause de batterie épuisée, celui des seconds est dû à la

consommation d’électricité du secteur. Dans les deux cas, les impacts dépendent de la

consommation énergétique, qui est donc une caractéristique sur laquelle il faut

s’attarder (ce que nous faisons ci-après). C’est seulement sur les conséquences de

cette consommation que les deux cas divergent – conséquences qui dépendent du

type d’alimentation. Pour les équipements sur secteur, l’impact créé par la

consommation d’une quantité d’énergie dépend du réseau électrique et n’est pas

maitrisable. Pour les équipements sur batterie, l’impact créé par la consommation

d’une quantité d’énergie dépend du dimensionnement de la batterie (qui détermine la

fréquence de son épuisement) et des opérations à effectuer quand celle-ci est épuisée.

Dans le cas présent, cette opération correspond au remplacement de l’équipement

dans son intégralité, la batterie ne pouvant être démontée.

Figure 27 - Caractéristiques influant sur l'impact d'un nœud.

Afin de minimiser l’impact de chaque nœud, nous pouvons formuler les préconisations

suivantes :

- Minimiser l’impact au déploiement et au démantèlement : voir section 2.1

« Etape 1a – Analyse des équipements ».

- Minimiser la consommation énergétique : voir section 2.2.4.3 « Minimiser la

109

- Minimiser les conséquences environnementales de la consommation :

= Adapter l’alimentation à la charge :

≡ Augmenter la taille des batteries. Le fait de remplacer

l’équipement entier lorsque sa batterie est épuisée entraine la

mise au rebus de matériel qui ne le nécessite pas. Augmenter la

taille de la batterie permettrait de diminuer la fréquence de

remplacement, et ainsi de diminuer la masse de matériel

inutilement remplacé.

≡ Changer le type d’alimentation. Si l’augmentation de la capacité

de la batterie alors que celle-ci est déjà importante ne suffit pas

à tenir la charge, il convient de questionner la pertinence de ce

moyen d’alimentation. Une alimentation par récupération

d’énergie de l’environnement (par panneaux photovoltaïques

par exemple) ou par le secteur peut dans ce cas être envisagée.

= Rendre les batteries changeables. Une grande partie de l’impact du

remplacement provient de la nécessité de remplacer l’équipement dans

son intégralité alors que seul l’élément critique à l’origine de la panne

(la batterie) ne le nécessite. La possibilité de changer la batterie

éliminerait cet impact.

2.2.4.3. Minimiser la consommation énergétique

La consommation énergétique d’un appareil dépend 1) du minimum théorique

d’énergie nécessaire aux tâches qui lui sont demandées 2) du rendement avec lequel

l’appareil réalise ces tâches 3) de l’efficacité des tâches que l’utilisateur lui demande

pour satisfaire son besoin (Elias et al., 2009). La consommation minimum théorique

nécessaire à la réalisation d’une tâche donnée étant une constante physique – par

conséquent non modifiable – deux axes d’amélioration peuvent être explorés :

minimiser l’inefficacité de l’appareil à réaliser les tâches qui lui sont données, et

minimiser le nombre de ces tâches – en priorité les plus consommatrices. En d’autres

termes, il s’agit de minimiser la consommation de l’équipement pour une charge

donnée (c'est-à-dire augmenter son efficacité énergétique) et de minimiser la charge

de l’équipement.

Figure 28 - Caractéristiques ayant une influence sur la consommation énergétique.

2.2.4.3.1. Optimiser l’efficacité énergétique des équipements

Pour optimiser l’efficacité énergétique d’un équipement, on pourra se rapporter aux

résultats du projet SynErgiCo

⁶⁵

(Synergie-enErgie-Conception) au sein duquel a été

développée une méthode de pilotage de la consommation énergétique d’un produit

110

au cours de sa conception. Voir à ce titre Evrard et al. (2012), Domingo et al. (2011) et

Bonvoisin et al. (2010). Ces derniers proposent une démarche globale et une liste de

préconisations permettant de piloter la consommation énergétique des produits

électriques et électroniques au cours de leur conception. Quelques exemples de leurs

préconisations sont présentés ci-dessous :

- Eviter toute activité en veille. La veille représente généralement une large part

du temps de fonctionnement d'un appareil. Même si la puissance de ce mode

peut être faible, il peut représenter une large part de la consommation totale.

- Eviter les séquences attente/action. Certaines tâches peuvent nécessiter des

séquences d’actions et d’attente de réaction d’un autre système (utilisateur,

autre équipement, etc.). Pendant les temps d’attente, l'interface consomme en

attendant une réponse.

- Ajuster dynamiquement les capacités des composants aux tâches qui leurs sont

confiées. Plus fin que de faire fonctionner les composants en deux états (arrêt,

allumé), il s’agit d’adapter la puissance du composant sollicité à la tâche à

réaliser.

- Utiliser des programmes/algorithmes/codes efficaces. La réalisation d’une

tâche peut être codée en une infinité de variantes plus ou moins

consommatrices. Il peut être intéressant de rechercher l’algorithme et les

structures de données permettant d’effectuer une tâche en un minimum

d’instructions et d’occupation de mémoire.

- Minimiser le nombre d'étages de conversion des alimentations. Chaque étage

de conversion de tension génère des pertes énergétiques.

- Eviter les surdimensionnements. Les capacités fonctionnelles des produits

peuvent être surdimensionnées par rapport aux besoins, et entraîner des

consommations inutiles.

- Utiliser systématiquement la tension la plus faible possible. La consommation

énergétique des composants est proportionnelle à leur tension d’alimentation.

Utiliser la juste tension permettant aux composants de remplir leur fonction

permet d’éviter des déperditions énergétiques.

2.2.4.3.2. Minimiser la charge des équipements

Examinons maintenant la possibilité de diminuer la charge des équipements. Nous

l’avons vu avec les résultats de l’analyse du réseau : la consommation énergétique

d’un équipement est fortement déterminée par la consommation liée à la

communication et aux sur-écoutes. Pour un répéteur, la consommation de

communication est clairement liée au nombre de capteurs qu’il relaie. Pour tous les

équipements, cette consommation est liée à la quantité de données à transmettre et

au protocole de communication. La consommation des sur-écoutes dépend quant à

elle de la consommation unitaire et de la fréquence de ces évènements. Celle-ci

dépend du nombre de nœuds dans le voisinage, du volume de leurs communications,

et de la présence ou non de mécanismes d’évitement des sur-écoutes. Le nombre de

nœuds voisins dépend de la densité géographique des équipements, de la sensibilité

des équipements et de leur puissance d’émission. Ces liens de dépendance sont

présentés par la figure 29.

111

Figure 29 - Caractéristiques ayant une influence sur la charge des équipements.

Au vu de ces liens de dépendance entre les caractéristiques du réseau, nous pouvons

formuler les préconisations suivantes :

- Minimiser la consommation de communication :

= Pour les répéteurs : minimiser le nombre de capteurs qu’ils relaient. Une

capacité de batterie en désaccord avec le nombre d’équipements à

gérer peut entrainer des remplacements fréquents, comme nous

l’avons vu dans notre exemple.

= Minimiser la quantité de données à transmettre. Deux options :

transmettre moins d’informations ou compresser les données. La

première option sera examinée en section 4 « Etape 3 – Analyse de

l’information » car elle influe sur la fonction du service rendu par ces

informations. La seconde option peut être réalisée par un algorithme de

compression, avec ou sans pertes, basé sur les redondances statistiques

de la syntaxe des données. La compression peut être également

sémantique, en envoyant des données interprétées plutôt que

d’envoyer des données brutes. Ceci nécessite cependant de donner aux

équipements une plus grande capacité de traitement, pouvant

engendrer un surcoût énergétique local.

= Optimiser le protocole de communication. La communication entre

équipements nécessite d’échanger d’autres informations que les

données à transmettre. Les équipements doivent dialoguer pour se

synchroniser. Ils doivent également encapsuler les données avec des

métadonnées. Minimiser le volume de ces communications de

synchronisation et de ces métadonnées permet de minimiser le volume

global de communication.

- Minimiser la consommation des sur-écoutes :

= Minimiser la consommation d’une sur-écoute. Il s’agit ici de prévoir un

mécanisme pour qu’un équipement puisse détecter au plus vite si le

signal qu’il perçoit ne lui est pas destiné. Ceci permettrait dans ce cas à

un équipement de rester dans un état d’écoute le moins longtemps

possible, et ainsi d’économiser de l’énergie.

= Minimiser la fréquence de sur-écoutes :

≡ Intégrer des mécanismes d’évitement des sur-écoutes. Il s’agit ici

électro-112

magnétique provoque un minimum de sur-écoutes. Un exemple

de ces mécanismes est l’utilisation de plusieurs bandes de

communication qui n’interfèrent pas entre elles.

≡ Limiter la densité des équipements dans l’espace. Plus le

déploiement est clairsemé, c'est-à-dire plus il y a de distance

entre les nœuds, plus les signaux leur parvenant sont atténués,

et moins l’environnement est encombré.

≡ Limiter la sensibilité des équipements. Nous avons montré que

les capteurs enterrés sont nettement moins victimes de

sur-écoutes car ils bénéficient d’une atténuation des signaux de

leurs voisins du fait qu’ils sont dans un milieu rendant difficile la

propagation des ondes électromagnétiques. Par analogie, il est

possible de limiter au juste nécessaire la sensibilité en entrée

des capteurs afin qu’ils ne soient sollicités que par leurs voisins

les plus proches. Cette option revient à remplacer une distance

physique par une distance électromagnétique.

≡ Limiter la puissance d’émission. De la même manière, adapter la

puissance d’émission à la distance maximale à laquelle un

équipement souhaite communiquer permet de couvrir une zone

géographique plus restreinte et ainsi de participer à

l’encombre-ment de l’espace d’un nombre restreint d’équipel’encombre-ments. Il est

cependant à noter que l’augmentation de l’atténuation du signal

peut avoir pour conséquence une probabilité d’échec plus

importante des communications voulues.

≡ Limiter la communication dans le réseau. La fréquence

d’occurrence de sur-écoutes est directement liée à l’intensité de

communication dans le réseau.

Dans le document Analyse environnementale et éco-conception de services informationnels (Page 119-125)