Modélisation hybride du canal de propagation dans un contexte industriel

Texte intégral

(1)THÈSE Pour l'obtention du grade de DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE POITIERS UFR des sciences fondamentales et appliquées XLIM-SIC (Diplôme National - Arrêté du 7 août 2006) École doctorale : Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques - S2IM (Poitiers) Secteur de recherche : Optoélectronique et micro-ondes. Présentée par :. Kaoutar El Hariri Essamlali Modélisation hybride du canal de propagation dans un contexte industriel Directeur(s) de Thèse : Yannis Pousset, Pierre Combeau Soutenue le 19 décembre 2014 devant le jury Jury : Président. Thierry Monédière. Professeur des Universités, Université de Limoges. Rapporteur. Laurent Clavier. Professeur des Universités, Télécom Lille. Rapporteur. Yvan Duroc. Professeur des Universités, Université de Lyon 1. Membre. Yannis Pousset. Professeur des Universités, Université de Poitiers. Membre. Pierre Combeau. Maître de conférences, Université de Poitiers. Membre. Denis Dessales. Ingénieur, Schneider Electric. Pour citer cette thèse : Kaoutar El Hariri Essamlali. Modélisation hybride du canal de propagation dans un contexte industriel [En ligne]. Thèse Optoélectronique et micro-ondes. Poitiers : Université de Poitiers, 2014. Disponible sur Internet <http://theses.univ-poitiers.fr>.

(2) Université de Poitiers. N◦ attribué par la bibliothèque. THÈSE pour obtenir le grade de Docteur de l’Université de Poitiers Spécialité : Optoélectronique et Micro-ondes préparée au laboratoire XLIM-SIC, UMR CNRS 7252 dans le cadre de l’École Doctorale Sciences et ingénierie pour l’information, mathématiques présentée et soutenue publiquement par. EL HARIRI ESSAMLALI Kaoutar le 19 décembre 2014. Titre:. Modélisation Hybride du canal de propagation dans un contexte industriel Directeur de thèse: YANNIS POUSSET Co-encadrant de thèse: PIERRE COMBEAU. Jury M. M. M. M. M. M.. Laurent CLAVIER, Professeur des Universités, TELECOM Lille, Rapporteur Yvan DUROC, Professeur des Universités,Université de Lyon, Rapporteur Denis DESSALES, Ingénieur, Schneider Electric, Examinateur Thierry MONEDIERE, Professeur des Universités,Université de Limoges, Examinateur Examinateur Yannis POUSSET, Professeur des Universités,Université de Poitiers, Pierre COMBEAU, Maître de Conférences, Université de Poitiers, Examinateur.

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(4) Remerciement A l’issue de l’obtention de mon doctorat, je suis convaincue que la thèse est loin d’être un travail solitaire. En effet, je n’aurais jamais pu réaliser ce travail doctoral sans le soutien d’un grand nombre de personnes dont la générosité, la bonne humeur et l’intérêt manifestés à l’égard de ma recherche m’ont permis de progresser dans cette phase d’apprenti-chercheur et enseignant. En premier lieu, je tiens à remercier mon directeur de thèse et mon co-encadrant, messieurs Yannis Pousset et Pierre Combeau, pour la confiance qu’ils m’ont accordée en acceptant d’encadrer ce travail doctoral, pour leurs multiples conseils et pour toutes les heures qu’ils ont consacrées à diriger cette recherche. J’aimerais également leur dire à quel point j’ai apprécié leur grande disponibilité. Enfin, j’ai été extrêmement sensible à leurs qualités humaines d’écoute et de compréhension tout au long de ce travail doctoral ainsi que l’esprit scientifique qu’il m’ont transmis. En second lieu, je tiens á remercier les professeurs Rodolphe Vauzelle et Majdi Khoudeir pour les conseils stimulants que j’ai eu l’honneur de recevoir de leur part. Messieurs Yvan Duroc et Laurent Clavier, pour m’avoir fait l’honneur d’être rapporteurs de cette thèse. Je leur exprime ma profonde reconnaissance d’avoir accepté cette lourde tâche. Messieurs Thierry Monedière, Denis Dessales pour avoir accepté de faire partie du jury de cette thèse en tant qu’examinateurs. Je suis honoré pour l’intérêt qu’ils ont porté à ce travail. Ces années passées à Poitiers n’auraient pas été aussi agréables sans l’ensemble des membres du laboratoire XLIM-SIC. Un grand merci à eux et plus particulièrement aux membres de l’équipe Syscom pour leur soutien inconditionnelle et encouragement. Mes vifs remerciements vont également à tous ceux que j’ai cotoyé durant mon service à l’IUT de Châtellerault, notamment madame Anne-Sophie Capelle, messieurs Laurent Rey, Florent Camarda et Sebastien Couderc Turq. Un énorme merci également à mon docteur, Madame Anne-Marie Poussard, Maître de conférence de l’université de Poitiers :) Je remercie également monsieur Philippe Dubois pour son aide, ses encouragement et surtout pour nos longues discussions. Je profite aussi pour remercier sa douce Nicole pour les bons moments qu’on a partagés. Merci aussi à mes chers collègues de bureau et amis : JF, Pierre, Xiang, Léopold, Romain, Marco, James et Samy. Et puis à tous ceux sans qui la vie au labo n’aurait pas eu la même saveur : Jo, Virginie, Bader, Tiguiane, Dimitri, Alex, Audrey, Maxime, Thomas, Romu, Syntyche, Naty, Riadh, Maroua, Najib, Abdeslam, Alice, Michael, Abou, Albekay, Bruno, Yohan, Clency, Noel, Hakim, Rita ,Daniel, Yassine, Youness, Rime, Gessie et Mandana. Mes derniers (mais pas les moins méritants) vont vers ma famille, plus particulièrement à mes parents, mon frère, mes sœurs, Hind et Mehdi qui m’ont toujours soutenu. Leur présence et leurs encouragements sont pour moi les piliers fondateurs de ce que je suis et de ce que je fais.. iii.

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(6) A mes chers Yannis et Pierre Samia et Omar. v.

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(8) Table des matières. Introduction. 1. Chapitre 1 Contexte et état de l’art. 3. 1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 2. Les télécommunications filaires au service du secteur industriel . . . . . . . . . . . . . .. 5. 2.1. Rôle de l’industrie dans l’économie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 2.2. Développement des réseaux industriels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7. Évolution vers un support de transmission sans fil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13. 3.1. Différents supports de transmission sans fil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13. 3.2. Avantages et challenges des réseaux sans fil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 14. 3.3. Les réseaux radios et leurs applications dans l’industrie . . . . . . . . . . . . . .. 15. Le canal de propagation sans fil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24. 4.1. Phénomène de multi-trajets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25. 4.2. Réponse impulsionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 26. 4.3. Relation entre l’environnement et la dispersion des retards . . . . . . . . . . . .. 28. Modèles de propagation existants dans un contexte industriel . . . . . . . . . . . . . . .. 28. 5.1. Modèles déterministes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29. 5.2. Modèles statistiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37. 3. 4. 5. 6. Bibliographie. 39. Chapitre 2 Concept du modèle hybride. 43. 1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45. 2. Étude préliminaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45. 2.1. Présentation du modèle déterministe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46. 2.2. Présentation du modèle WINNER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50. vii.

(9) Table des matières 2.3. Comparaison des deux modèles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 60. 3. Approches de partitionnement spatial de l’environnement dans la littérature . . . . . . .. 63. 4. Hypothèse de partitionnement spatial en environnement industriel . . . . . . . . . . . .. 64. 5. Principe général du modèle proposé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69. 6. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 70. Bibliographie. 73. Chapitre 3 Modélisation du volet statistique du modèle hybride. 75. 1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77. 2. Construction du modèle statistique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77. 2.1. Démarche suivie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77. 2.2. Données issues du simulateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 78. 2.3. Répartition des données en clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 78. 2.4. Méthode de validation de la répartition des données en clusters . . . . . . . . . .. 83. 2.5. Identification des lois statistiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86. 3. Génération des coefficients du canal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 91. 4. Pré-validation du modèle hybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 94. 5. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 97. Bibliographie. 99. Chapitre 4 Validation du modèle hybride. 101. 1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103. 2. Étude comparative entre le modèle hybride et déterministe . . . . . . . . . . . . . . . . 103. 3. Présentation de la campagne de mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106. 4. 3.1. Site de mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106. 3.2. Fréquence porteuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107. 3.3. Positions des antennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108. 3.4. Description du banc de mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108. 3.5. Traitement des données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109. Comparaison avec le modèle hybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.1. 5. Réduction du temps de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116. Chapitre 5 Évaluation de la robustesse du modèle hybride et de WINNER. 119. 1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121. 2. Conditions des simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 2.1. Présentation des scènes industrielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 viii.

(10) 3. 4. 2.2. Paramètres des simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122. 2.3. Traitement des données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123. Résultats de la comparaison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 3.1. Ancienne implantation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124. 3.2. Nouvelle implantation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125. 3.3. Ancienne implantation simplifiée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126. 3.4. Temps de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127. Conclusion générale et perspectives. 129. Annexe A Paramètres du modèle WINNER. 133. Annexes. 133. Annexe B Coefficients et lois statistiques associées modélisant le retard et les angles. 135. Annexe C Coefficients et lois statistiques associées modélisant la puissance. 139. Table des figures. 143. Liste des tableaux. 147. ix.

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(12) Introduction. Les nouvelles technologies et internet occupent de plus en plus de place dans notre vie quotidienne, changeant nos habitudes aussi bien sur un plan privé comme professionnel. Le monde industriel à son tour s’oriente de plus en plus vers des usines connectées pour faire face à la concurrence des pays à faible coût de production. La généralisation de la robotisation et de l’automatisation permet de viser le zéro défaut mais pas seulement. Elle a aussi pour conséquence une réelle traçabilité des produits aux différentes étapes de production. Cette visibilité en temps réel des processus à tous les niveaux de l’entreprise permet d’améliorer la productivité, la qualité et la sécurité. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux applications industriels de maintenance, de contrôle et de gestion des stocks. Dans ce type d’applications, la communication se fait entre une station de base et plusieurs récepteurs répartis dans l’usine. Nous avons pris comme principal exemple, une flotte de véhicules autonomes guidés qui peuvent être des chariots élévateurs ayant une hauteur d’environ 1 m ou des petits robots mobile d’une hauteur d’une vingtaine de centimètre. Objectif et Problématique Au vu de l’intérêt croissant envers la connexion des objets dans l’industrie, il est nécessaire de mener des études sur le canal de propagation dans ces milieux car il est l’élément clé dans la mise en œuvre d’un système de communication sans fil. Ces milieux industriels bien qu’indoors, sont différents des milieux indoor classiques de type bureau, où ce genre de communication est très répandu et connaît de bonnes performances. Cette différence découle du fait de la dimension des usines et des entrepôts ainsi qu’à la présence en masse des matériaux métalliques qui constituent les principaux obstacles rencontrés dans ces environnements. Cette différence rend les modèles de propagation indoor existants non-opérationnels puisque la propagation dépend fortement de l’architecture du bâtiment. Ainsi, quelques travaux concernant le canal de propagation en industrie ont été publiés. Ces travaux ont proposé des études sous forme de campagnes de mesures ou des propositions de modèles de propagation. Dans la littérature, trois types de modèle existent : déterministe, statistique et hybride. Les modèles déterministes se caractérisent par leurs traitements purement déterministes des paramètres de l’environnement. La propagation des ondes est simulée à partir de la description géométrique précise de l’environnement et la connaissance de ses propriétés électromagnétiques. Cependant, ces modèles posent encore des problèmes dus au manque de 1.

(13) Introduction flexibilité et à la complexité de calcul surtout dans des environnements industriels confinés. Contrairement aux modèles déterministes les modèles statistiques n’ont pas besoin d’informations sur l’environnement et leurs temps de calcul est rapide. Par contre, leur inconvénient réside dans la précision des calculs. Pour combler les inconvénients de ces deux familles de modèles (temps de calculs pour les modèles déterministe et précision des résultats quant aux modèles statistiques) nous proposons un modèle hybride. Le principe de ce modèle consiste à trouver un bon compromis entre ces deux paramètres : précision et rapidité. Ainsi, dans le cadre de cette thèse, nous avons choisi de proposer un modèle de propagation hybride basé sur l’association d’un modèle déterministe à tracer de rayons et d’un modèle statistique. Ce modèle prend en considération deux hauteurs de réception : 1,1 m et 0,25 m correspondant aux applications : une flotte de véhicules autonomes par exemple des chariots élévateurs d’une hauteur moyenne d’un mètre ou des robots mobiles d’une faible hauteur de 0,25 m. Démarche et Plan Cinq chapitres composent ce mémoire : La premier chapitre présente le rôle des systèmes de communication en industrie et leur évolution du filaire au sans fil. Nous présentons un état de l’art sur les différents standards de communications existants, d’abord les filaires ensuite les sans fil, leurs avantages et les applications qu’ils proposent. Ensuite nous rappelons les principales caractéristiques du canal de propagation. Puis nous présentons les modèles de propagation existants dans un contexte industriel. Le deuxième chapitre commence par une étude comparative entre un modèle déterministe à tracer de rayons et un modèle statistique nommé WINNER, dans un milieu industriel. Ensuite, la présentation du concept de notre modèle hybride basé sur l’association d’un modèle déterministe et d’un deuxième statistique est proposé. Il se caractérise par une subdivision du cas NLOS en deux sous cas de nonvisibilité : faible et forte. Nous présentons dans ce chapitre la méthode ainsi que les arguments qui nous ont aiguillés vers cette proposition de partitionnement spatial. Nous expliquons dans le troisième chapitre les différentes phases ayant servi à la modélisation du volet statistique de notre modèle ; ensuite nous présentons les étapes nécessaires pour la génération des coefficients du canal. Enfin, nous expliquons la démarche suivie pour finaliser la calibration de notre modèle. Afin de valider notre modèle, nous présentons dans le quatrième chapitre une comparaison entre le modèle déterministe et notre modèle hybride. Pour cela, nous comparons la dispersion des retards dans différentes configurations de réception. Une fois, le modèle validé, nous le comparons à la mesure. Dans le cinquième chapitre nous testons la robustesse du modèle hybride et celle du modèle WINNER dans trois environnements industriels différents. Ces environnements se distinguent par leur niveau de description. Enfin, nous terminons ce manuscrit par une conclusion et quelques perspectives.. 2.

(14) Chapitre. 1 Contexte et état de l’art. Sommaire 1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 2. Les télécommunications filaires au service du secteur industriel . . . . . . . . . . . 2.1 Rôle de l’industrie dans l’économie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Développement des réseaux industriels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5 5 7. 3. Évolution vers un support de transmission sans fil . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.1 Différents supports de transmission sans fil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13. 4. 3.2 Avantages et challenges des réseaux sans fil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.3 Les réseaux radios et leurs applications dans l’industrie . . . . . . . . . . . . . 15 Le canal de propagation sans fil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 4.1 4.2. 5. 6. Phénomène de multi-trajets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Réponse impulsionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26. 4.3 Relation entre l’environnement et la dispersion des retards . . . . . . . . . . . 28 Modèles de propagation existants dans un contexte industriel . . . . . . . . . . . . 28 5.1 Modèles déterministes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 5.2 Modèles statistiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37. 3.

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(16) 1. Introduction. 1 Introduction Ce chapitre présente le contexte et l’état de l’art de ce travail de thèse qui concerne les communications dans les réseaux industriels. Pour mieux comprendre l’intérêt de l’intégration des communications sans fil dans ces milieux un aperçu du rôle des télécommunications filaires dans le secteur industriel sera d’abord présenté. Ensuite, une description globale de ces milieux sera réalisée afin de présenter les différences qui existent entre les milieux industriels et les environnements indoor classiques tels que les bureaux ou les maisons dans lesquels ce type de communication est largement répandu. Une fois le contexte clairement défini, nous aborderons les différents standards de communications filaires et leur évolution vers un support de transmission sans fil. Nous présentons également les applications existant dans ces milieux ainsi que leurs besoins. Enfin, pour terminer ce chapitre nous montrons l’intérêt de la modélisation du canal de propagation radio nécessaire au déploiement d’un système de communication sans fil dans ce contexte d’étude. Nous rappelons également brièvement les principaux phénomènes physiques du canal de propagation radio. Ensuite, nous présentons les différents modèles de canaux généralement utilisés en industrie ainsi que les qualités et défauts qui leur sont associés.. 2 Les télécommunications filaires au service du secteur industriel 2.1. Rôle de l’industrie dans l’économie «Il ne peut y avoir d’économie forte sans industrie forte» Ex-premier ministre Jean-Marc AYRAULT.. Tous les économistes reconnaissent le rôle majeur que joue l’industrie et ne la considèrent pas comme les autres secteurs d’activité. Elle demeure un des principaux moteurs de l’activité économique en termes de valeur ajoutée et d’emploi. On peut évaluer l’importance de ce secteur, dans les pays de l’union européenne, en se référant à la figure 1.1 qui illustre le pourcentage de la part de l’industrie dans le Produit Intérieur Brut (PIB). On constate que la France est le troisième pays où la part de l’industrie. Figure 1.1 – Part de l’industrie en pourcentage du PIB 5.

(17) Chapitre 1. Contexte et état de l’art est la plus faible de la zone euro. Elle ne représente que 18.5% du PIB en 2012 alors qu’en 2002 elle en représentait 26% contre à cette même date 31% en Allemagne, 33% en Autriche, 30% en Italie et 26% aux Pays-Bas. Cette baisse est bien évidemment liée au coût salarial unitaire 1 mais ce n’est pas l’unique raison. Si l’on s’intéresse à l’innovation et la recherche dans ce secteur en évaluant la part des dépenses en Recherche et Développement (R&D) en % du PIB illustrée par la figure 1.2, au nombre de chercheurs en % de la population et au nombre de brevet triadiques 2 par million d’habitant, on en déduit qu’il y a un effet de corrélation entre la part de l’industrie et les indicateurs de l’innovation. Normalement plus l’industrie détient une part importante du PIB, plus les dépenses en R&D et le nombre de brevets triadiques sont élevés et permettent ainsi à l’industrie de résister face à la concurrence. Ce n’est malheureusement pas le cas de la France. Malgré des investissements relativement élevés en R&D, elle reste très loin des leaders de l’innovation en Europe et dans le monde. Pour cela, la solution qui s’impose est de muter vers une industrie à plus forte valeur ajoutée, basée entre autre sur l’innovation. Parmi les récentes innovations qui ont remarquablement marqué ce secteur, on peut noter l’intégration. Figure 1.2 – Dépense en R&D en pourcentage du PIB du numérique. Il est désormais au cœur de tous les processus d’innovation et on parle même d’une révolution numérique qui vise à rendre les usines intelligentes (smart factories) capables d’une plus grande adaptabilité dans la production et d’une allocation plus efficace des ressources, ouvrant ainsi la voie à la quatrième révolution industrielle qui est en train de prendre forme à l’aube du XXI ième siècle et qui sera mûre au plus tôt vers 2020 [GIM+13]. Ce mouvement est aussi appelé «industrie 4.0», «cyberusine», «usine digitale», «usine connectée», «Integrated Industry» ou «Innovation Factory». Il se base sur le principe de l’Internet of Things (IOT) dit aussi l’Internet des Objets (IdO) où les machines, les sites et les processus communiquent en continu ; tout ceci consiste alors en une sorte de «réseau social» pour objets. L’internet des objets est un prolongement du concept de «Machine to Machine» qui se définit de façon générale comme étant l’association des Technologies de l’Information et de la Communication (TIC) avec des objets dits communicants et intelligents dans le but de leur fournir les moyens d’interagir sans intervention humaine. Étant une technologie émergente, sa définition continue d’évoluer mais elle se réfère en général à la télémétrie ou à la télématique. Cette technologie fonctionne en utilisant des 1. Le coût salarial unitaire correspond au coût salarial total (salaire moyen par tête x nombre de salariés) divisé par les quantités produites. 2. Les familles de brevets triadiques désignent les inventions qui jouissent d’une protection sur l’ensemble des trois grands marchés de la triade que constituent les États-Unis, l’Union européenne et le Japon.. 6.

(18) 2. Les télécommunications filaires au service du secteur industriel réseaux filaires et de plus en plus non filaires, utilisant en particulier les réseaux sans fil publics comme nous le verrons dans la section 3.3.1.. 2.2. Développement des réseaux industriels. Un réseau de communication peut être défini comme l’ensemble des ressources matériels et logiciels liées à la transmission et l’échange d’information entre différentes entités. Suivant leur organisation ou architecture, les distances, les débits de transmission et la nature des informations transmises, les réseaux font l’objet d’un certain nombre de spécifications et normes. Les réseaux de communications peuvent donc être classés en fonction du type d’informations transportées et de la nature des entités impliquées. On distingue ainsi trois principales catégories de réseaux : les réseaux de télécommunications, les réseaux de télédiffusion et les réseaux téléinformatiques. On peut aussi les distinguer en fonction de la distance entre les équipements : réseau longue distance (Wide Area Network : WAN), les réseaux métropolitains (Metropolitan Area Network : MAN) et les réseaux locaux (Local Area Network : LAN). Un réseau local industriel (RLI) désigne un réseau de communication de type LAN où les entités qui communiquent entre elles, pour partager des informations, sont localisées dans un environnement industriel (une usine de production, un hangar, une manufacture, un entrepôt, etc). Selon le type d’application, les entités qui communiquent peuvent être des ordinateurs comme dans les réseaux informatiques mais le plus souvent il s’agit d’Automates Programmables Industriels (API), de systèmes montés sur rail, de capteurs ou d’équipements mobiles automatisés. Ces milieux se caractérisent par leurs dimensions : des espaces plus grands et plus ouverts qu’en milieu indoor classique de type bureau ou maison, où la hauteur des bâtiments évolue approximativement entre 6 et 8 m. Il a été indiqué dans [TAN+08] que les usines sont peu partitionnées, avec de grandes pièces. La taille et le poids des équipements imposent souvent une structure sur un seul étage, ce qui réduit la communication entre les étages. Cette structure sur un seul étage élimine le besoin des cages d’escalier dans la majorité des espaces de travail. On trouve des escaliers dans les usines pour aller par exemple à un étage contenant des bureaux ou un réfectoire mais dans ce cas ils ne seront pas considérés comme une partie du milieu industriel. Les couloirs sont souvent perpendiculaires avec généralement des machines ou des produits stockés le long des murs. Le sol est en béton sur lequel on retrouve une multitude de machines, des objets mobiles et des matériaux métalliques qui rendent le milieu encombré, perturbé et aussi pollué par les ondes électromagnétiques provenant des différents appareils. Le plafond est composé de gaines, de poutres, des rails d’alimentations, des éclairages et de leurs supports ainsi que des conduits d’aération. D’un point de vue chronologique, le développement des réseaux industriels est étroitement lié à l’évolution des concepts intrinsèques à la production, notamment l’émergence et le développement de l’approche productique 3 , ainsi qu’à l’évolution technologique des matériels de production et des matériels informatiques. Nous retraçons brièvement ci dessous quelques étapes importantes dans le développement des réseaux industriels [VIE+12]. Années 60 : Dans les années 60, les pays dits industrialisés, plaçaient les industries et les entreprises comme pi3. Le néologisme «productique» a été créé en 1979 par la société Philips Data Systems pour désigner les applications informatiques dans le domaine de la production industrielle. Il provient de l’amalgame des mots « production » et « informatique ». 7.

(19) Chapitre 1. Contexte et état de l’art vots de la société et avaient une forte croissance économique. Cette dernière a conduit les entreprises à développer les systèmes automatisés dans l’objectif d’accroître leur productivité. Ainsi, les premiers réseaux primitifs ont émergé avec l’apparition des systèmes de commande programmables : Automates Programmables Industriels (API), Directeurs de Commande Numériques (DCN) et des Machines Outils à Commande Numérique (MOCN). Ces réseaux qualifiés d’élémentaires avaient pour rôle principal l’interconnexion de deux équipements : entre un calculateur et des automates ou entre un calculateur et des instruments de mesure par exemple, et possédaient pour principales vocations, d’une part le téléchargement de programmes à destination d’API ou de DCN pour éviter d’immobiliser ces matériels pendant la phase de création et de saisie des programmes, et d’autre part l’acquisition de données depuis des systèmes de métrologie afin de pouvoir traiter ces données hors ligne et archiver des résultats de mesure [SCH+02]. Années 70 : Dans les années 70, l’accroissement du souci de la rentabilité des matériels ainsi que la poursuite du développement de l’automatisation des systèmes de production ont engendré le besoin d’interconnecter les systèmes de production et de superviser leur fonctionnement. De ce fait les premiers réseaux industriels inter-connectant plusieurs matériels de natures homogènes, c’est à dire provenant du même fabricant ou hétérogènes, sont apparus. Les premiers réseaux étaient essentiellement des réseaux propriétaires, développés par des fabricants de matériels d’automatismes [SCH+02]. Années 80 : Jusque dans les années 80, les automatismes s’appuyaient sur des API qui traitaient essentiellement des fonctions séquentielles. Les automatismes centralisés géraient tout un ensemble de fonctions qui n’avaient pas nécessairement d’interactions entre elles tel qu’illustrée par la figure 1.3. Dans cet exemple un seul automate gère les machines des deux ateliers de l’usine. Pour intégrer une machine supplémentaire, les automaticiens vérifiaient simplement si l’automate ou le système d’automatisme en place pouvaient gérer les Entrées/Sorties (E/S) supplémentaires et la capacité de mémoire disponible. Ces automatismes centralisés créaient de nombreuses contraintes du fait de l’absence d’autonomie des différents sous-ensembles, ce qui entraînait une mise en service et une maintenance difficiles étant donné la quantité d’E/S à gérer. De plus, un défaut système de l’API ou l’arrêt pour maintenance du moindre élément de l’outil de production engendre l’arrêt de l’ensemble des fonctions gérées par l’API [SCH+02]. Les contraintes imposées par les systèmes centralisés ont donc conduit les industriels à s’orienter vers une segmentation de l’architecture. La segmentation consiste en un découpage de l’automatisme en plus petites entités fonctionnelles. La figure 1.4 reprend l’exemple précédant de l’usine qui contient des machines réparties dans deux ateliers. Ici, des automatismes décentralisés gèrent les machines et un concentrateur (ou Automate Concentrateur) monté en réseau regroupe les informations concernant la production afin de servir un superviseur 4 et d’améliorer les performances de temps de réponse 5 du réseau. Le concentrateur permet également d’éviter le développement de programmes spécifiques dans chacun des automates du réseau. L’avantage de cette structure réside dans la simplification de la gestion des E/S. Ainsi, le nombre réduit d’E/S par automate facilite la mise en service et la maintenance. Toutefois, cette décentralisation a généré le besoin de communication entre les entités fonctionnelles. Ainsi, les Réseaux 4. AUTOMATE PROGRAMMABLE mais plus souvent MINI ou MICRO-ORDINATEUR INDUSTRIEL raccordé à un réseau d’AUTOMATES et qui gère ou simplement surveille la production. 5. Il désigne le temps nécessaire à un paquet de données pour passer de la source à la destination à travers un réseau. 8.

(20) 2. Les télécommunications filaires au service du secteur industriel. Figure 1.3 – Les automates centralisés Locaux Industriels (RLI) ont été crée afin d’assurer efficacement la communication entre les différents API dans une usine ou tout système de production. Les RLI servent à connecter divers automates pour assurer la commande, la surveillance, la supervision, la conduite, la maintenance, le suivi de produit, la gestion, en un mot l’exploitation de l’installation de production. L’étape qui a suivi a concerné la topolo-. Figure 1.4 – Les automates décentralisés gie des automatismes et plus exactement la décentralisation des E/S des automatismes. Cette étape a eu lieu suite à la demande des industriels pour faire baisser les prix du câblage, car sur des sites plus étendus il est souvent nécessaire de gérer un nombre important de capteurs/actionneurs loin des automates tout en prenant en compte les fonctions des modules. En guise de réponse, les constructeurs d’automatismes ont proposé les réseaux et bus de terrain qui sont des standards de transmission reliant entre eux l’ensemble des composants ou appareils (actionneurs/capteurs), quelque soit leur fonction, afin de véhiculer ou échanger toutes sortes d’informations en rapport avec la commande ou le contrôle du processus industriel. La figure 1.5 montre un exemple où les E/S de l’automate du deuxième atelier sont gérées via un réseau de terrain. Ces réseaux de terrain contribuent à réaliser des gains de câblage importants, mais surtout ils permettent de rendre accessibles des services tels que le diagnostic, la maintenance ou la programmation sur tout le site. Ces réseaux de terrain ont permis de gérer dans un premier temps des E/S décentralisées, puis la périphérie d’automatisme (variateurs, robots, axes ...). Suite à ces évolutions 9.

(21) Chapitre 1. Contexte et état de l’art. Figure 1.5 – La décentralisation des E/S et de la périphérie d’automatisme le monde industriel est devenu dépendant de celui de l’informatique pour augmenter la productivité des usines de fabrication. Ainsi, les réseaux locaux industriels propriétaires ont rapidement adopté des standards développés sur les architectures informatiques. Les liaisons séries "Recommended Standard (RS)" ont d’abord été les premiers modes de communication entre ces deux mondes. Par la suite, la communication entre ces deux mondes a été faite par des produits issus de partenariats entre les constructeurs d’automates programmables et les grandes sociétés d’informatique comme IBM, HP ou DEC [SCH+02].. 2.2.1. Niveaux de communication. Les années 80 ont aussi été marquées par le concept de "Computer Integrated Manifacturing (CIM)" associé à un Système Intégré de Production (SIP) [SCH+02] normalisé par la suite dans [IEC 61512]. Ce concept permet de décrire l’organisation des différents systèmes (entreprise, site, zone, cellule de processus, unité, module d’équipement, module de commande). Cet agencement est couramment représenté sous forme d’une pyramide étagée comme l’illustre la figure 1.6 correspondant aux différents niveaux de communication du système modélisé. Ce concept décrit la complète automatisation des processus de fabrication stipulant ainsi que tous les équipements de l’usine fonctionnent sous le contrôle total des ordinateurs, automates et autres systèmes numériques. De la sorte, tous les acteurs d’un processus industriel sont censés communiquer entre eux. Les réseaux locaux industriels répondent aux besoins du système d’automatisme (niveaux 0, 1 et 2), les réseaux informatiques et les systèmes de télécommunication apparaissent dans les niveaux 3 et 4. Ce concept n’a pas résolu la problématique liée à l’augmentation du trafic sur les médiums. En revanche, il a permis de structurer les différentes fonctions dans l’entreprise. Cette structuration a conduit à une meilleure estimation des besoins, de la nature et de l’importance des flux des données qui déterminent les solutions de communications optimales à choisir dans les différents niveaux de la pyramide CIM. Cela a permis aux constructeurs d’automates programmables de concevoir des réseaux et des bus adaptés au besoin de chaque niveau du CIM comme l’illustre la figure 1.7. Ainsi à chacun des niveaux de la pyramide correspond un bus ou un réseau : • Les réseaux de niveau 0, appelés « sensor bus » ou « bus capteurs et actionneurs », sont des réseaux de 10.

(22) 2. Les télécommunications filaires au service du secteur industriel. Figure 1.6 – Approche générique du concept de CIM. Figure 1.7 – Correspondance entre les niveaux du CIM et un bus ou réseau bas niveau bien adaptés à l’automatisation d’un atelier, d’une ligne de production ou d’une machine. Ces réseaux ont pour principaux objectifs de réduire les coûts de câblage, ainsi que de faciliter la mise en service, le réglage, l’exploitation et la maintenance des équipements d’automatisme industriel connectés. Les bus les plus couramment utilisés sont les bus CAN, AS-i, Interbus et P-Net. 11.

(23) Chapitre 1. Contexte et état de l’art • Au niveau 1 correspondent des réseaux permettant la commande individuelle des machines et des processus. Cela comprend la communication avec les équipements de terrain, c’est à dire avec les capteurs et les actionneurs, mais aussi avec les automates programmables, les terminaux opérateurs ou les applications de supervision de procédé. Les bus les plus couramment utilisés sont les bus FIP, Profinet, Profibus et Unitelway. • Les réseaux locaux industriels du niveau 2, ont pour rôle l’établissement de la communication entre l’automatisme et le monde informatique. Ils permettent la commande centralisée des machines et des processus. Les bus les plus couramment utilisés sont les bus Modbus+, Fipway et Ethway. • Le niveau 3 est associé aux réseaux d’usine qui sont des réseaux locaux informatiques. Ils ont comme tâche la gestion et la supervision de la production et des stocks ainsi que la planification de la production. Dans ce niveau, on retrouve aussi les activités des bureaux d’études. Les réseaux les plus couramment utilisés sont Ethernet, Wifi (norme 802.11) [JAU+06]. • Le niveau 4 concerne le système d’information de l’entreprise qui a pour rôle la gestion global de l’entreprise. 2.2.2. Exigences des communications. La figure 1.8 illustre l’approche de la pyramide selon la quantité des données à traiter et le temps de réponse associé. Le niveau 0 de la pyramide qui regroupe capteurs et actionneurs a besoin d’un transfert performant de l’ordre de quelques millisecondes mais ne concerne que des données binaires donc peu d’informations. Plus on monte vers le niveau 4, plus le temps de réponse et le volume des données est important.. Figure 1.8 – Approche du concept de CIM selon le volume des données et du temps de réponse La frontière entre le monde informatique et industriel a peu à peu disparu avec l’adoption progressive 12.

(24) 3. Évolution vers un support de transmission sans fil de standards communs. L’adoption des protocoles standard mondiaux Ethernet et TCP/IP et la prise en compte de mécanismes normés a fait que la communication entre les deux mondes a convergé. Ces technologies alliées aux Extranet, Intranet et Internet permettent d’avoir accès aux données de l’automatisme en temps réel et en tout lieu. Les contraintes des réseaux filaires liées notamment aux coûts de déploiement des câbles ainsi qu’aux difficultés d’installations et d’évolution de ces réseaux ont conduit à un intérêt croissant pour le passage aux réseaux sans fil. Dans ce travail de thèse, nous nous intéresserons aux communications du niveau 1 à 3 de la pyramide CIM; c’est à dire aux communications entre les machines ainsi qu’aux communications liées à la supervision et à la gestion de ces dernières.. 3 Évolution vers un support de transmission sans fil Comme nous l’avons vu dans les sections précédentes, l’échange d’informations entre entités communicantes au sein d’un réseau industriel reposait historiquement sur l’utilisation d’un support de transmission filaire. Toutefois, l’avènement des technologies sans fil a offert aux industriels de nouvelles possibilités permettant d’envisager plus de souplesse dans la structure de leurs réseaux et une réduction significative du coût lié à leur installation. Ainsi, on peut trouver aujourd’hui des réseaux mixtes ou même exclusivement sans fil. Le choix du réseau à déployer, filaire ou sans fil, dépend en premier lieu de l’application, puis de l’environnement. Pour les solutions sans fil, il existe deux supports de transmission, les spectres radio-fréquences (du MHz à la dizaine de GHz) et l’optique (infrarouge). Le paragraphe suivant en rappelle les principales caractéristiques.. 3.1. Différents supports de transmission sans fil. Les réseaux sont des éléments complexes faisant appel à une technique importante avec chacun un domaine de prédilection, d’où la définition de plusieurs niveaux de spécification sous forme de la pyramide CIM. Cette représentation est en train de disparaître du fait de l’utilisation de plus en plus répandue d’internet. Un grand nombre d’industriels ayant réduit à cet égard, de façon drastique, la diversité de leur réseau. Dès lors, Ethernet + TCP/IP sont largement déployés [JAUU+06]. La pyramide se limitant alors à deux couches : une couche supérieure (Ethernet +TCP/IP), puis au dessous, des Réseaux de capteurs. Toutefois, dans un effort collectif de normalisation, la norme OSI (OPEN SYSTEM INTERCONNECTION) a été définie. Cette norme est basée sur un découpage fonctionnel des éléments d’un réseau. Ayant vu le jour en 1977 et acceptée en 1978, la norme OSI définit sept niveaux de spécification présentés chacun comme une couche superposée à la précédente. La couche physique représente le plus bas niveau de spécification, elle définit les spécifications électriques et mécaniques d’un Réseau : le type de connexion (full duplex, half duplex ou simplex), le type de liaison (série ou parallèle) et le média (liaison hertzienne, câble coaxial, paire torsadée, etc.). La transmission des données sans fil entre les entités du réseau se fait via cette couche qui a pour principal rôle d’établir et de maintenir le lien radio ou infrarouge entre l’émetteur et le récepteur. En industrie, la transmission par infra-rouge est utilisée dans un certain nombre d’applications telles que par exemple la mesure de température, la détection de mouvement pour les portes industrielles, etc. Toutefois cette technique n’est utilisée que dans des cas bien précis car elle souffre de plusieurs défauts. Les 13.

(25) Chapitre 1. Contexte et état de l’art diodes infrarouges transmettent de manières quasi directionnelles. De ce fait pour qu’un couple d’émetteur récepteur puisse communiquer il faut que le récepteur reste aligné à l’émetteur. Cette contrainte reste acceptable lorsque les deux points sont fixes. En revanche, il devient difficile de garantir un bon alignement dans le cas d’entités mobiles, rendant nécessaire la mise en place d’un système de tracking complexe. Néanmoins d’autres inconvénients en découlent comme : le fait que les ondes optiques ne permettent pas de traverser les obstacles opaques ; la forte atténuation des ondes lors de leurs propagation d’où une portée relativement faible (une dizaine de mètres) ; ou encore une faible robustesse vis à vis du bruit ambiant en provenance des sources lumineuses parasites. Pour toutes ces raisons les débits résultants restent faibles (2 Mbits/s pour la norme IEEE 802.11) [GUE+09] et en conséquence l’utilisation du spectre infrarouge reste souvent limitée aux systèmes domotiques (télécommandes). La transmission par ondes radio (HF) ne souffre pas des inconvénients évoqués précédemment. Elle est omnidirectionnelle et elle n’est pas gênée par la présence d’obstacles opaques dans sa trajectoire. Ainsi, les entités du réseau peuvent être statiques ou mobiles dans des environnements intérieurs ou extérieurs. Les ondes radio souffrent néanmoins des évanouissements rapides d’une part, dus aux trajets multiples surtout en milieu clos et encombré, et des atténuations d’autre part, dues aux propriétés plus ou moins absorbantes des matériaux. Dès lors, le signal transmis est sujet à de nombreux phénomènes dont la plupart dégradent la qualité du signal. Cette dégradation implique en pratique des erreurs dans les messages reçus entraînant ainsi des pertes d’informations. Comparativement au filaire, les transmissions radio présentent des débits plus faibles et des erreurs de transmission plus fréquentes. Elles ont aussi des problèmes liés aux interférences dues soit à une transmission simultanée sur une même fréquence soit à une utilisation des fréquences voisines ou provenant de machines non dédiées aux télécommunications. Concernant ce dernier point, on peut citer comme exemple les fours à micro-ondes qui utilisent des fréquences qui sont dans la bande dédiée aux applications industrielles, scientifiques et médicales. Les communications HF peuvent aussi être perturbées par les brouillages provenant du bruit ambiant, dues aux transmissions d’autres systèmes. Ainsi, les transmissions radios sont très sensibles aux conditions de propagation. Pour cela un contrôle de la qualité des liens est inévitable pour pouvoir mettre en œuvre des stratégies de transmission adéquates. Ces dernières peuvent permettre également de régir la consommation d’énergie des entités mobiles quant à la gestion de leur autonomie liée aux batteries. Enfin, ces stratégies doivent, à terme, veiller à la sécurité des communications radios qui peuvent être espionnées si elles ne sont pas bien protégées.. 3.2. Avantages et challenges des réseaux sans fil. La transmission des données par voie câblée est moins coûteuse que la transmission sans fil en règle générale sauf lorsque l’installation n’est pas statique, comme c’est le cas dans les usines modernes dans lesquelles les chaînes de productions sont souvent restructurées. Les réseaux sans fil quant à eux, offrent plusieurs avantages par rapport aux réseaux câblés d’un point de vue pratique et même financier dans certains cas de figure. De nombreuses contraintes sont éliminées quand on exploite des ondes électromagnétiques pour la transmission des signaux. La suppression des câbles par exemple évitera tous les problèmes liés à l’usure de ceux-ci. Il existe aussi des usures des contacts entraînées par les connexions et déconnexions fréquentes dans le cas des équipements automatisés mobiles comme pour des tran14.

(26) 3. Évolution vers un support de transmission sans fil stockeurs 6 , des systèmes montés sur rail ou des véhicules autonomes guidés qui utilisent des matériels spécifiques tel que des bagues robotiques, des câbles collecteurs ou des drag chains 7 avec des câbles de données hautement flexibles pour se connecter à un réseau. L’utilisation de ces matériels implique une hausse globale du coût de l’installation. La transmission sans fil rend aussi possible de couvrir des zones pour lesquelles il s’avérerait difficile, voire même impossible de les connecter par câble. L’utilisation de la technologie sans fil s’avérera donc intéressante dans bon nombre d’applications telles que la maintenance, le contrôle ou la gestion de stock en permettant de réaliser de nouvelles économies tout en apportant d’avantage de flexibilité en autorisant une liberté totale de mouvement. Ainsi, le passage au sans fil doit générer de nouveaux revenus liés à l’amélioration des processus existants ou à la création de services additionnels. Selon le domaine d’activité de chaque entreprise la nature des sources de réduction des coûts ou des revenus diffère. Il est toutefois possible de généraliser certains de ces usages à même d’améliorer la productivité et la rentabilité des processus de l’entreprise tels que : – La télémaintenance, où la surveillance à distance des équipements permettant d’effectuer une maintenance préventive et d’accroître la disponibilité du service proposé au client final ; – La téléalarme, où le transfert instantané des anomalies détectées par l’équipement assurant une prise en compte rapide des dysfonctionnements et une amélioration de la qualité de service ; – Les télé-relevés et télé-diagnostiques, où l’envoi automatisé des valeurs stockées sur l’équipement permet de s’affranchir des coûts de déplacement. Enfin les retombées en termes d’amélioration de l’image de la société, notamment liée à des services innovants ou à caractère écologique, peuvent éventuellement être considérées comme un retour sur investissement. Cependant, les solutions sans fil ne sont pas aussi faciles à déployer. Pour être utilisables elles doivent remplir certaines conditions : – Garantir une aussi grande fiabilité de transmission, au même titre que les réseaux filaires ; – Avoir une portée de quelques centaines de mètres, en lien avec les dimensions des environnements industriels courants ; – Sécuriser le réseau contre les intrusions et les mises sur écoute ; – Assurer l’interopérabilité entre les systèmes afin de garantir une bonne intégration aux systèmes de contrôle existants et aussi de fonctionner en parallèle avec d’autres systèmes sans fil ; – Éviter les problèmes liés à la consommation d’énergie des terminaux mobiles ; – Prendre en compte les problèmes liés aux interférences et autres perturbations dues à la richesse de l’environnement en équipement ; – Être robuste aux fréquentes restructurations, notamment au niveau de la disposition des gros équipements.. 3.3. Les réseaux radios et leurs applications dans l’industrie. Le développement des technologies sans fil constitue une révolution technologique qui affecte et transforme la vie de tous les jours. La première phase de cette révolution commença avec les découvertes 6. Les tran-stockeurs sont par définition des robots réalisés sur mesure en fonction de chaque exigence de magasin automatique à développement vertical, conçus pour le transport de palettes, conteneurs, paquets, caisses ou tout autre type d’unité de charge, qui se déplacent à travers les rayons servant au stockage des matières premières, des produit semi-finis et/ou des produits finis. 7. Guides conçus pour entourer et guider les câbles et tuyaux flexibles reliés au déplacement des machines automatisées.. 15.

(27) Chapitre 1. Contexte et état de l’art théoriques et la mise en évidence de l’existence des ondes radios. Cette phase fut marquée par les travaux de Huygens en 1678 sur la théorie ondulatoire de la lumière, les célèbres équations de Maxwell qui établissent le lien entre les phénomènes électriques et magnétiques et les premières liaisons radio de quelques kilomètres de portée. Marconi mit en place la première radio transatlantique entre l’Europe et les États-Unis et marqua ainsi le point de départ des premiers systèmes de communications radio [HAU+04]. La deuxième phase reposa sur l’évolution des équipements (taille, poids, la porté des communications et les services de radiotéléphonie) et des techniques mais pour des usages encore réservés à certaines catégories de la population. Cette évolution permit aux systèmes radios d’acquérir la dimension mobile. La seconde guerre mondiale accéléra le développement des systèmes qui s’étend, dans les années 1950, aux applications civiles (compagnies de taxis et ambulances par exemple). Les équipements restaient cependant encore lourds et occupaient une place importante puisqu’ils étaient généralement installés dans les coffres des véhicules. C’est durant la troisième phase que les progrès techniques et le développement des systèmes de communications vont faire entrer les systèmes de communications sans fil et mobiles dans le domaine publique via les systèmes cellulaires de première génération (1G). 3.3.1. réseaux cellulaires. Les systèmes cellulaires de première génération connurent un très grand succès. La qualité de transmission était bonne mais le débit était insuffisant pour l’envoi de gros volumes de données et leur sécurité était insuffisante. De plus, le système était dédié à une certaine élite de par le coût des équipements et des communications. Toutefois, le réseau français fut alors vite saturé : la demande de mobilité était intrinsèquement trop importante. 3.3.1.1 GSM C’est la décennie 1990 qui rencontre la plus significative révolution technologique avec l’apparition du système cellulaire numérique GSM (Global System for Mobile communication) qui a été adopté par l’ensemble des pays européens, puis par 180 pays dans le monde [HAU+04]. Parallèlement d’autres systèmes américains et japonais existaient. Ils étaient basés sur d’autres solutions d’accès au réseau (TDMA 8 ou CDMA 9 ) . Après un accord de standardisation la solution européenne s’est répandue partout dans le monde. Le GSM comme les systèmes de première génération, repose sur une architecture cellulaire. Le mécanisme de multiplexages fréquentiel et temporel a permis à ce système numérique d’accroître le débit utile transitant dans la bande de fréquence qui lui est allouée (900 MHz en Europe, complétée plus tard par celle des 1800 MHz). La norme GSM autorise un débit maximal de 9,6 kbit/s et des messages textes SMS (Short Message Service) de 160 caractères au maximum, ce qui permet de transmettre la voix ainsi que des données numériques de faible volume. Le monde industriel a connu peu d’applications propres aux procédés basés sur le GSM, compte tenu des exigences de fiabilité, de débit et de temps garantis généralement requis. Néanmoins, il a existé quelques exemples d’applications industrielles comme celui de la société suisse Sensile Technologies qui est spécialisée dans le développement de capteurs de qualité 8. Time Division Multiple Access, en français : accès multiple à répartition dans le temps. 9. Code Division Multiple Access, en français : accès multiple par répartition en code.. 16.

(28) 3. Évolution vers un support de transmission sans fil et de systèmes de télémétrie en collaboration avec Siemens. L’entreprise a mis au point une application novatrice qui mesure à distance le niveau de mazout dans les citernes [SIE+04].. 3.3.1.2 Variantes du GSM Les limitations du GSM, et en même temps son succès, ont poussé le monde des communications à vouloir passer rapidement à une 3ème génération (UMTS: Universal Mobile Telecommunications System) de systèmes de radiocommunication. Cette troisième génération (3G) viendrait pallier les insuffisances de la 2G (en termes de débit) et serait reconnue dès le début comme un standard mondial. L’évolution paraissait tellement naturelle que les systèmes 3G connurent un engouement incroyable auprès des opérateurs. Les licences furent vendues dans certains pays à des prix exorbitants avant même l’identification précise des besoins et la stabilité de la technique. Ainsi, l’évolution de la 2G à la 3G ne s’est pas déroulée exactement comme prévu pour plusieurs raisons : – La 3G a eu plus de mal que prévu à s’imposer face au GSM de part les coûts des licences et équipements terminaux ; – Le standard 3G s’est révélé plus long et plus coûteux à développer ; – Les nouveaux services offerts par la 3G, résultant de la bande passante, sont devenus d’un intérêt moins évident ; – Le lien avec le monde IP est devenu essentiel pour le transfert des données et aussi de la voix (VoIP) ; – La continuité avec les réseaux filaire Ethernet est devenue impérative ; – Le succès inattendu du service de messagerie (SMS) a rendu la demande de transmission en mode paquet de plus en plus pressante ; – Les armées dans la plupart des pays industrialisés et suite à la fin de la guerre froide ont libéré de nouvelles bandes de fréquences ; – De nouveaux standards internationaux sous l’égide de l’IEEE, au sein notamment du comité IEEE 802 qui décrit une famille de normes relatives aux réseaux locaux (LAN) et métropolitains (MAN), ont été mis en œuvre ; – Le concept intercalé entre les communications fixes et mobiles a vu le jour, celui des communications nomades. Ces circonstances ont abouti à deux nouveaux développements : – Le développement de variantes du GSM, appelées solution 2.5G. Le 2.5, indique que c’est une technologie à mi-chemin entre le GSM (2ème génération) et l’UMTS (3ème génération). Ces variantes sont essentiellement le GPRS (General Packet Radio Service) et l’EDGE (Enhanced Data rate for GSM Evolution); – Le développement des réseaux locaux radioélectrique dits RLAN (Radio Local Area Networks) ou WLAN (Wireless Local Area Network) dont le plus connu est le WiFi (Wireless Fidelity). • GPRS La première variante du GSM est le GPRS (General Packet Radio Service). Il permet d’étendre l’architecture du standard GSM afin de pouvoir transmettre des données par paquets, avec des débits théoriques maximums de l’ordre de 115 kbit/s mais atteignant rarement plus de 57 kbit/s sur un réseau réel. Cette méthode est plus adaptée à la transmission des données, car contrairement au mode circuit 10 en GSM où un circuit, ainsi que les ressources associées, est établi pour toute la durée de la 10. Un chemin physique ou logique est établi et verrouillé entre deux équipements pour toute la durée de la session de. 17.

(29) Chapitre 1. Contexte et état de l’art communication, pour le GPRS les ressources ne sont allouées que lorsque des données sont échangées ce qui permet une économie de la ressource radio et un accès aux utilisateurs moins coûteux. Les applications M2M pour «Machine to Machine», dont l’intérêt est de pouvoir surveiller, contrôler des machines sans intervention humaine, se sont développées sur l’utilisation du réseau GPRS. Il peut s’agir des applications telles que la téléalarme, le système de remontée d’informations automatique, la surveillance à distance des machines industrielles, etc. La figure 1.9 illustre un schéma typique d’un système M2M où les informations collectées sont envoyées par le biais d’un modem GPRS via un réseau GSM ou GPRS. Ainsi, les données sont transmises : – Par internet vers une base de données, pour consulter ces informations à tout moment ; – Par SMS vers par exemple les téléphones mobiles de techniciens ; – Par Fax par exemple au client final ; – Par e-mail aux services après vente ou de production.. Figure 1.9 – Schème typique d’un système M2M • EDGE La deuxième variante du GSM est l’EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution), c’est une amélioration du GPRS. Il est considéré comme une technologie pré-3G, on parle ainsi de 2.75G pour le désigner. Il utilise une technique de modulation plus performante (8-PSK : Phase-Shift Keying à 8 états, soit une modulation par changement de phase) qui lui permet d’atteindre un débit théorique de 473,6 Kbits/s sur 8 canaux multipliant ainsi par 3 les performances du GPRS. Dans la pratique, le débit est de 384 Kbits/s, ce qui génère souvent certaines confusions avec la 3G. De part ses débits plus important l’EDGE permet par exemple aux systèmes de surveillance une transmission des vidéos et des images. Toutefois, il n’est idéal que pour une surveillance temporaire à distance où les images peuvent être transférées sur une période programmable par le biais d’un détecteur de présence ou contacteur de porte relié sur l’entrée d’alarme. Cette évolution qui est vu comme une alternative moins onéreuse à la téléphonie de troisième génération permet le lancement de services multimédias améliorés, elle reste néanmoins en dessous des performances attendues avec le passage vers la 3G.. communication. Le transfert de données ne peut être effectué qu’après l’établissement de la totalité de la ligne entre l’émetteur et le récepteur.. 18.

(30) 3. Évolution vers un support de transmission sans fil 3.3.1.3 UMTS L’UMTS est une technologie de téléphonie numérique qui succède aux technologies 2G. Les technologies 3G utilisent des bandes de fréquences plus larges et recourent à un protocole de transfert des données par «paquets». Le principal intérêt de la 3G réside dans l’augmentation significative des débits, bien supérieurs aux technologies GPRS et EDGE. Il se distingue aussi par sa large couverture, sa capacité en termes de nombre d’abonnés ainsi que par ses services variés. Une application telle que la vidéo-surveillance qui était déjà possible sur GPRS, bénéficie grâce à l’UMTS, d’un gain substantiel en débit et donc en qualité d’image. Les systèmes cellulaires continuent leurs évolutions dans le but d’avoir des débits plus élevés. On retrouve ainsi une évolution de la 3G nommée 3.5G ou 3G+ dont l’acronyme est HSPA pour High Speed Packet Acces puis la 3.75G HSPA+ et aujourd’hui le au déploiement de la quatrième génération, le LTE (Long Term Evolution). Le développement des réseaux de communication mobiles notamment le GSM en Europe ainsi que leurs évolutions vers des solutions de transfert des données plus rapides et plus robustes (GPRS, EDGE, 3G) amène un nombre croissant d’industriels à envisager la connexion de leurs machines, jusqu’à maintenant non communicantes sur de tels réseaux pour proposer de nouveaux services ou améliorer les processus d’exploitation existants [comM2M]. Ainsi, les systèmes mobiles et sans fil ont touché tous les domaines d’activité économique et intégré peu à peu tous les types de services de télécommunication. La figure 1.10 montre un exemple de Réseau Local Industriel dont la supervision est faite à travers un réseau qui supporte différentes technologies cellulaires (GPRS, EDGE, 3G, 4G).. Figure 1.10 – Exemple de Réseau Local Industriel utilisant différentes technologies cellulaires. 3.3.2 Réseaux locaux sans fil Les réseaux locaux sans fil (ou Wireless Local Area Network, WLANs) sont apparus au cours de l’explosion des technologies de communication numérique des années 90. Actuellement, dans la bande de fréquences ISM (Industriel, Scientifique et Médical) il existe trois grands standards connus disponibles autour de 2,4 GHz. Ils ont été défini par l’IEEE et sont mondialement utilisés : le Wifi, le bluetooth, et le Zigbee [BUD+10]. 19.