Soutenance mémoire
L’intéropérabilité pour l’IoT
Technologies de l’IoT
Une partie des technologies utilise des bandes de fréquences sous licence, c’est à-dire que l’autorité d’un état réserve des bandes de fréquences pour ces technologies, comme c’est le cas avec l’ARCEP , en France : c’est cette autorité qui attribue les bandes de fréquences aux militaires, ou encore aux opérateurs téléphoniques. Alors que l’obtention d’une licence sur une bande donnée se monnaye auprès de l’ARCEP, le spectre non licencié offre aux innovateurs un outil précieux : l’accès à certaines bandes de fréquence à faible coût. Dans le contexte des WSN, le déploiement d’infrastructure de capteurs pour tous et tous les usages, nécessite des solutions à bas coût. Dans ce chapitre, nous présenterons les principales technologies sans-fil utilisant les bandes de fréquences non licenciées, ouvertes à tous les utilisateurs à faible coût.
Solutions courte portée : les WPAN
Les solutions à courte portée dans les bandes de fréquences libres s’articulent majoritairement autour de deux standards :
— Le standard IEEE 802.15.4
— La spécification BLE .
Alors que le 802.15.4 est normalisé par l’IEEE , le BLE est quant à lui standardisé par la Bluetooth SIG .
Le standard IEEE 802.15.4
Couche PHY
Les canaux fréquentiels utilisés par le standard 802.15.4 sont :
— 16 canaux physiques dans la bande des 2.4GHz (majoritairement utilisée)
— 10 canaux dans la bande des 900MHz
— 1 canal dans la bande des 868MHz .
Le 802.15.4 travaille donc majoritairement dans la même bande ISM que celle du 802.11 et du BLE. Afin de réduire le risque d’interférence, les largeurs de bandes sont beaucoup plus faibles dans le cas du 802.15.4 que dans le cas du 802.11 : alors que les canaux 802.11 mesurent 22MHz, ceux du 802.15.4 n’utilisent qu’une largeur de 2Mhz, et l’on considère des canaux de 5MHz pour limiter encore les interférences. Ainsi, on peut utiliser un canal 802.15.4 entre deux canaux actifs 802.11. C’est la couche PHY qui s’occupe de sélectionner le meilleur canal de communication en fonction de l’environnement dans le cas des technologies monocanal. Dans les cas des technologies multicanales, la couche PHY se charge de sélectionner un sous-ensemble des fréquences PHY pour former la séquence de sauts de fréquence (HS) utilisée par le réseau. Le rôle de la couche PHY est d’assurer la transmission au niveau physique, c’est-à-dire qu’elle s’occupe de la procédure de détection d’énergie afin de détecter la présence d’une communication de la technologie 802.15.4, dans le voisinage, ou encore de s’assurer que le canal est libre avant transmission par le mécanisme de CSMA/CA (Écoute d’un support à accès multiple et à évidemment de collision— ou Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance) .
Elle s’occupe également de gérer le changement de canal de communication si besoin dans le cas des technologies monocanales, ou de retirer une fréquence de la séquence HS si les conditions sur ce canal sont dégradées. Le principe général de fonctionnement d’envoi des données de la couche PHY est le suivant : à partir des données binaires que l’on souhaite envoyer au niveau MAC, on réalise d’abord une correspondance entre une séquence de bits et des symboles. Ces symboles sont alors multipliés par un code d’étalement, qui va élargir le spectre fréquentiel du message, afin d’être plus robuste aux brouillages rencontrés lors de la transmission : c’est de l’étalement de spectre DSSS (Etalement de spectre à séquence directe — ou Direct-Sequence Spread Spectrum).
Les codes obtenus sont ensuite modulés afin d’obtenir le signal à transmettre sur la radio. Lorsque l’on travaille en 802.15.4 dans la bande des 2.4GHz, la modulation utilisée est une modulation O-QPSK . Cependant, si l’on travaille dans les fréquences plus basses, on module le signal en Binary Phase Shift-keying (BPSK), une modulation plus simple avec seulement deux points dans la constellation.
Couche MAC
Format de trames
Il existe 6 types de trames MAC dans le standard 802.15.4 :
• les trames balises, ou beacons, qui servent à l’organisation en supertrame dans le mode correspondant,
• les trames de données,
• les trames d’acquittements,
• les trames à but générique (ou Multipurpose),
• et les trames de commandes, pour lesquelles on remplace le champ des données par un identifiant de commande, suivi des données liées à la commande.
• les trames de fragmentation, utilisées lorsqu’une fragmentation est nécessaire à cause de trames étalées en fréquence (en plus de la modulation DSSS classique) pour les modes à très faible consommation d’énergie.
Les différents modes MAC
La couche MAC du standard 802.15.4 s’organise en plusieurs modes de communications. Nous présentons ici uniquement les modes que nous utilisons dans la suite de nos travaux : le mode non-beacon, le mode beacon, le mode TSCH (Saut de fréquence à créneaux temporels — ou Time-slotted Channel Hopping), le mode CSL (Ecoute coordonnée de préambule — ou Coordinated Sampled Listening) et le mode RIT (Transmission initiée par le récepteur — ou Receiver Initiated Transmission).
Le mode non-beacon
Dans la version sans trames de synchronisation du standard 802.15.4, les transmissions sont organisées, au sein de la couche MAC de manière asynchrone: les nœuds ne partagent pas d’information temporelle globale. Lorsqu’il souhaite transmettre un paquet (donnée ou contrôle), un nœud feuille, c’est-à-dire un nœud en périphérie du réseau, active sa radio dans un premier temps en mode de réception (Rx) pour réaliser l’algorithme de CSMA/CA du standard 802.15.4. Il réalise ensuite un CCA (Évaluation d’un canal libre — ou Clear Channel Assessment) et, si le canal est détecté comme libre, envoie son paquet. Le canal fréquentiel utilisé pour les transmissions est le même pour toutes les communications du réseau et correspond au canal fréquentiel sélectionné par le coordinateur PAN, le responsable du réseau, lors de la phase d’initialisation du réseau. Ce mécanisme de transmission suppose qu’un récepteur est constamment à l’écoute sur le canal choisi; c’est pourquoi les parents de tels nœuds sont considérés comme des périphériques constamment disponibles en mode Rx. Si ce mode de communication est coûteux en énergie du point de vue du dispositif alimenté, il permet néanmoins d’économiser le maximum d’énergie du point de vue des terminaisons ou feuilles du réseau .
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Table des matières
Introduction
.1 Contexte
.2 Motivations
.3 Contributions
.4 Structure du document
I L’intéropérabilité pour l’IoT
1 – Technologies de l’IoT
1.1 Solutions courte portée : les WPAN
1.2 Solutions LAN
1.3 Solutions LPWAN
2 – Discussion
2.1 Motivations pour l’interopérabilité
2.2 État de l’art des solutions d’interopérabilité
2.3 Pistes d’exploration
II Contributions
3 – Comparaison des standards pour l’IoT
3.1 Principe de l’analyse de consommation énergétique
3.2 Impact des paramètres matériels sur les résultats
3.3 Comparaison des durées de vie des périphériques
4 – Réduction du coût d’attache au réseau
4.1 Les protocoles de découverte de voisinage
4.2 Simulateur de la procédure d’attachement au réseau
4.3 Singer-Cyclic Difference Set
4.4 DataJoin
5 – Application à l’interopérabilité Google Thread/TSCH
5.1 Principe de fonctionnement
5.2 Ordonnancement des slots d’interopérabilité
5.3 Évaluation des performances théoriques
5.4 Conclusion
Conclusion générale
.1 Résumé de la contribution
.2 Travaux futurs
Bibliographie
