Efficacité énergétique des architectures de communication sans fil IR-UWB pour les réseaux de capteurs sans fil

Efficacité énergétique des architectures de
communication sans fil IR-UWB pour les réseaux de
capteurs sans fil

Régulations des technologies UWB

Le strict respect de la réglementation concernant le spectre d‟émission est nécessaire pour définir la largeur de bande des signaux UWB. En effet, de nombreux systèmes licenciés ou non sont présents dans les bandes UHF et SHF propices au déploiement de systèmes radio. Pour permettre l‟utilisation de signaux UWB sur plusieurs gigahertz, les autorités de régulation doivent imposer une limitation sur la puissance d‟émission.

Technologies UWB entre 3,1 GHz et 10,6 GHz

En mai 2000, une première proposition de régulation est publiée (Notice of Proposed Rule Making), qui aboutit au texte de régulation Report & Order actuel, daté de février 2002 où la FCC a introduit des régulations à la technologie UWB pour les bandes de fréquence de 3,1 – 10,6 GHz. Les règles de régulation du spectre UWB par la FCC permettent d‟émettre des signaux principalement sur la bande 3,1 GHz – 10,6 GHz, en respectant une densité spectrale de puissance inférieure aux règles déjà en place pour les émissions radio non intentionnelles. Une Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente (PIRE) de -43,3 dBm/MHz et une bande passante minimale de 500 MHz sont autorisées sur cette technologie de communication [3]. 17 Autrement dit, dans toute bande de 1 MHz comprise entre 3,1 et 10,6 GHz, la puissance moyennée sur une durée inférieure à une milliseconde ne doit pas excéder −41,3 dBm/MHz. On trouve que dans les territoires Européen et Asiatique la bande autorisée est réduite jusqu‟à 3 GHz de bande alors que Canada par exemple est plus souple au niveau de ces régulation en comparant avec les Etats-Unis. Au Japon, le ministère de l‟intérieur et de la communication (MIC) en charge de la réglementation des télécommunications a autorisé en 2006 l‟émission de signaux UWB sans licence [19]. Afin d‟assurer la cohabitation avec les services sans fil existants et avec les systèmes de communications futurs, les systèmes UWB doivent se doter de techniques de détection, d‟évitement ou de gestion des signaux présents dans les mêmes bandes de fréquences. Donc, suivant les régions, on peut transmettre en UWB dans toutes les bandes de fréquence avec une puissance inférieure à 41dBm/MHz, tandis que dans d‟autres, les systèmes UWB doivent intégrés des techniques de détection et d‟évitement de collision afin d‟éviter d‟engendre des perturbations sur cette bande (Figure I8) Figure I-8: Régulation UWB entre 3,1 GHz et 10,6 GHz suivant les territoires

Technologies UWB à 60 GHz

L‟évolution des technologies de la micro-électronique comme les technologies CMOS a permis de réaliser des circuits intégrés pour la communication à bas coût et à une grande fréquence ce qui a permis d‟utiliser une bande passante plus large et donc l‟introduction de l‟utilisation de la bande à 60 GHz. Suite à cela la FCC a ouvert une bande de 57 GHz à 64 18 GHz non licenciée pour les systèmes ISM en 2001 [20]. Des signaux UWB peuvent y être utilisés grâce à largeur de bande passante. De plus les problèmes d‟interférence sur les bandes à 60 GHz sont quasiment nuls car celle-ci se situe très loin des bandes ISM actuellement surchargées par les différents services radio. Les communications portent sur une faible zone permettant ainsi une faible distance de réutilisation des fréquences et donc une forte densité de déploiement des systèmes de communications UWB à 60 GHz [10]. Aux Etats-Unis le spectre autorisé est une bande sans licence de 7GHz se situant entre 57 et 64 GHz avec une puissance PIRE maximale autorisée de 43 dBm. Les spécificités du canal radio a permis une limite en puissance beaucoup moins contraignante à 60 GHz. Pour l‟Europe le spectre autorisé est bien plus grand avec 9 GHz disponible entre 57 GHz et 66 GHz avec une puissance PIRE maximale de 40 dBm. Dans le reste du monde comme le Japon et l‟Australie possède un spectre entre 59 GHz et 66 GHz et 59,4 et 62,9 GHz respectivement avec une PIRE limite de 57dBm et 40 dBm.

Table des matières

LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
GLOSSAIRE
INTRODUCTION GENERALE
I. CHAPITRE I : LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL POUR DES APPLICATIONS DE SURVEILLANCE DE STRUCTURES
I.1. INTRODUCTION AUX RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
I.2. CONTEXTE-ARCHITECTURE SYSTEME DE PROJET SMARTER
I.3. RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL POUR LA SURVEILLANCE DES STRUCTURES (SMH)
I.3.1. Techniques de communication pour réseaux de capteurs sans fil
I.3.1.1. SIGFOX
I.3.1.2. LoRa
I.3.1.3. WiFi IEEE 802.11
I.3.1.4. IEEE 802.15.4 ZigBee
I.3.1.5. IEEE 802.15.4a communication Ultra Large Bande (UWB)
I.3.2. Régulations des technologies UWB
I.3.2.1. Technologies UWB entre 3,1 GHz et 10,6 GHz
I.3.2.2. Technologies UWB à 60 GHz
I.4. APPLICATIONS DES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL
I.4.1. Détection de catastrophes naturelles
I.4.2. Détection d’intrusions
I.4.3. Applications métier
I.4.4. Contrôle de la pollution
I.4.5. Agriculture
I.4.6. Surveillance médicale
I.4.7. Contrôle d‟édifices
I.4.8. Surveillance de structures
I.5. SURVEILLANCE DE STRUCTURE (STRUCTURAL HEALTH MONITORING SHM)
I.5.1. Surveillance de structure de transport
I.5.2. Surveillance de structure pour les constructions
I.5.3. Surveillance de structure pour aéronautique et satellites
I.6. CONCLUSION
II. CHAPITRE II : COMMUNICATIONS UWB PAR IMPULSION (IR-UWB) ETAT DE L’ART
II.1. INTRODUCTION
II.2. COMMUNICATION SANS FIL ULTRA-WIDE BANDE (UWB)
II.3. CANAL DE PROPAGATION
II.3.1. Propagation en espace libre
II.3.2. Propagation par trajets multiples
II.3.2.1. Transmission
II.3.2.2. Réflexion
II.3.2.3. Diffraction
II.3.2.4. Diffusion
II.3.2.5. Guidage d‟ondes
II.3.3. Capacité d‟un canal IR-UWB
II.4. IMPULSE RADIO ULTRA-WIDE BAND (IR-UWB)
II.4.1. Techniques de modulation des signaux Ultra-Wide band par impulsion
II.4.1.1. BPSK, Modulation de phase
II.4.1.2. PPM, Modulation de position
II.4.1.3. PSM, Modulation de forme
II.4.1.4. PAM et OOK, Modulations d‟amplitude
II.4.2. Les avantages et les défis d‟IR-UWB
II.5. PERFORMANCES SYSTEMES IR-UWB EMETTEUR-RECEPTEUR EXISTANTS
II.6. SOLUTIONS POUR BASSE CONSOMMATION DE L‟EMETTEUR-RECEPTEUR IR-UWB
II.6.1. La solution Clock-gating
II.6.2. Réalisation système sur puce ASIC
II.7. CONCLUSION
III. CHAPITRE III : CONCEPTION DE L’ARCHITECTURE D’EMETTEURRECEPTEUR IR-UWB
III.1. INTRODUCTION
III.2. L‟ARCHITECTURE PROPOSEE POUR LE SYSTEME EMETTEUR-RECEPTEUR
III.3. EMETTEUR IR-UWB
III.3.1. Circuit numérique de traitement du signal
III.3.1.1. Générateur de trames
III.3.1.2. Etalement de spectre
III.3.1.3. Modulation par impulsion OOK
III.3.2. Convertisseurs Numérique/Analogique ADC
III.3.3. Interface ADC-Circuit de traitement numérique .
III.4. RECEPTEUR IR-UWB
III.4.1. Interface DAC-circuit numérique
III.4.2. Corrélateurs
III.4.3. Bloc validation-décision
III.5. IMPLEMENTATION DE LA SOLUTION CLOCK-GATING
III.5.1. Choix de la solution clock-gating
III.5.2. Principe
III.5.3. Implémentation et test
III.6. IMPLEMENTATION MATERIELLE SUR FPGA ET RESULTATS
III.6.1. Plateforme d‟implémentation FPGA
III.6.2. Intégration partie frontend RF
III.6.3. Mesure du fonctionnement en bande de base numérique
III.7. CONCLUSION
IV. CHAPITRE IV : CONCEPTION ASIC DU SYSTEME EMETTEURRECEPTEUR IR-UWB
IV.1. INTRODUCTION
IV.2. DEFINITION ET POINT DE VUE GENERALE
IV.3. FLOT DE CONCEPTION SYSTEME ASIC
IV.3.1. L‟implémentation VHDL et validation
IV.3.2. Données nécessaire à la conception ASIC
IV.3.2.1. La technologie ST CMOS 65 nm -Design Kit
IV.3.2.2. L‟implémentation VHDL de l‟émetteur-récepteur IR-UWB
IV.3.2.3. Fichiers de contraintes de design
IV.3.2.4. L‟IP analogique ADC-DAC
IV.3.3. Synthèse et netlist du circuit
IV.3.4. Floorplan de design
IV.3.5. Placement et routage
IV.3.6. Finalisation du layout
IV.4. COMPOSITION DE L‟ARCHITECTURE ASIC CONÇUE
IV.4.1. Conception en bande de base numérique
IV.4.2. IP analogique pour les DAC-ADC
IV.4.3. Layout de la puce complète
IV.5. RESULTATS DE SIMULATION
IV.6. SETUPS DE MESURE ET RESULTATS
IV.6.1. Caractérisation avec wire bonding
IV.6.2. Caractérisation avec Flip-chip
IV.6.2.1. Teste de fonctionnement
IV.6.2.2. Teste de consommation
IV.7. CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES
PUBLICATIONS