Le canal de communication minier

Le canal de communication minier

Contraintes de déploiement des RCSF

Les contraintes de fiabilité et de temps de réponse du système représentent les contraintes les plus importantes pour une application industrielle. Du point de vue de la communication, le temps de réponse est la considération principale qui implique d’avoir les données adéquates aux moments adéquats. Pour une communication numérique, la contrainte de fiabilité implique de recevoir les données avec un taux d’erreur binaire minimal. L’efficacité énergétique du réseau est une contrainte aussi importante pour les RCSF industriels que pour ceux traditionnels. En effet pour un environnement minier, il est difficile d’avoir une alimentation filaire, donc une bonne gestion de l’énergie est fondamentale. Dans certains cas on peut considérer les techniques de récolte de l’énergie de vibration dans le but d’étendre au maximum la durée de vie du réseau. Cependant ces techniques nécessitent l’utilisation de protocoles appropriés. L’adaptabilité du réseau doit être revue sur deux plans. D’abord sur le plan topologie. Les réseaux industriels sont généralement à topologie variante avec des noeuds capteurs qui apparaissent et disparaissent. Ceci est dû au différent phénomène que peut subir le signal dans un milieu confiné tel que la mine. L’adaptabilité doit être aussi revue sur le plan du trafic de données qui circule dans le réseau. Par exemple le trafic qui n’est pas urgent doit circuler en mode meilleur effort.

En contrepartie le trafic de données urgentes doit être acheminé à destination le plus rapidement possible. Donc le réseau doit s’adapter aux les différents types de trafic. L’extensibilité du réseau (ou scalability) est aussi une contrainte importante à considérer. En effet le nombre de noeuds dans le réseau peut varier selon le type d ‘application et les exigences de chaque application. La méthode de communication doit être capable de s’adapter au changement de dimension du réseau à cause de l’ajout ou de la suppression de certains noeuds. Une autre contrainte à considérer externe aux RCSF, est le fait que la plupart des systèmes industriels opèrent dans la bande de fréquence des RCSF. La coexistence de différents réseaux opérant sur la même bande de fréquence radio peut entraîner la dégradation des performances du réseau à cause des interférences et de la contention sur le même canal. Le choix du canal est 1 ‘une des contraintes importantes à considérer dans la conception des réseaux de capteurs industriels.

Effort de normalisation pour les LR-WPAN V ers la fin des années 70, la révolution IP a permis de normaliser le monde des réseaux informatiques et a rendu possible la réalisation de l’ Internet tel que nous le connaissons actuellement. Aujourd’hui, nous entrons dans l’ère de l’ubiquité, qui se manifeste par le déploiement de toute sorte de réseaux qui récolte l’information partout et en tout temps. Par conséquent, les mêmes problèmes sont en train de réapparaître. Dans cette optique un RCSF déployé dans une mine peut être vu comme un exemple de réseau ubiquitaire. Si ce type de réseaux est capable d’inter-opérer avec les infrastructures existantes tel qu’Internet, alors cela rendrait accessibles tous les équipements reliés au réseau dans la mine; c’est le concept d’internet des choses ou Internet of Things (IoT)[13]. Les protocoles et les normes émergentes sont actuellement fournis par les équipementiers, chacun avec son propre système de communication, qui peut être conforme aux mêmes normes, mats continue à isoler le réseau dédié du reste du monde interconnecté.

La situation actuelle est semblable à ce que les réseaux informatiques ont ressemblé il y a environ deux décennies. C’est dans ce contexte que nous nous proposons de passer en revue les normes conçues pour les réseaux LRWPAN. Ces différentes normes spécifient les protocoles allant de la couche physique à la couche réseau. Cependant, nous nous intéressons principalement aux spécifications de la couche physique de ces normes. Cet intérêt est expliqué par le fait que cette couche est celle qui régit la transmission et réception réelle des données sur le canal radio. La couche physique est concernée en premier lieu par les sévères phénomènes de propagation ayant lieu dans les mines souterraines. Cette couche doit apporter les solutions adéquates pour combattre et tirer profit de ces phénomènes.

La norme IEEE 802.15.4

Depuis sa sortie en 2003, IEEE 802.15.4 [12] a émergé comme la norme de fait pour les réseaux de capteurs sans fil, ce qui permet de développer des normes de couches supérieures comme WirelessHART ou ZigBee. Le protocole IEEE 802.15.4 fournit une plateforme pour les systèmes de communication à faible débit de données. Selon le modèle OSI, cette norme propose des solutions à la fois pour la couche physique et la couche MAC. Elle a été conçue à 1 ‘origine pour les LR-WPAN. La norme 802.15.4 a été ensuite adoptée pour les réseaux de capteurs opérant dans la bande ISM sans licence. Cette norme fournit des spécifications des couches basses, en laissant les couches supérieures à développer selon les besoins de l’application et de 1 ‘utilisateur final. Elle est utilisée dans plusieurs types d’application comme la domotique, les réseaux industriels, etc. La norme 802.15.4 est commune pour la plupart des réseaux de capteurs décrits dans la littérature. Le succès de cette norme est également visible dans le fait que, aujourd’hui, il y a dix couches physiques différentes proposées comme extension à la norme IEEE 802.15.4. Pour cette raison, les concepteurs de systèmes doivent non seulement choisir entre différentes bandes de fréquences, mais aussi entre des technologies sans fil complètement différentes, comme DSSS, GFSK ou OFDM. Il est donc crucial d ‘être en mesure de comparer et d’évaluer les performances de ces différentes technologies au niveau de la couche physique.

La norme IEEE 802.15 .4g

D’après les différentes normes décrites, l’extension « g » apparaît comme la norme la plus prometteuse surtout quand il s ‘agit de faire la supervision d ‘une large zone géographique comme les mines. Cette norme offre une multitude de solutions aux niveaux physiques comportant plusieurs bandes de fréquence et plusieurs formes d’onde. L’importance de cette norme est aussi mise en relief par l’apparition de la Wi-SUN Alliance, qui est un consortium industriel mondial visant à promouvoir des solutions sans fil interopérables basées sur la norme IEEE 802.15.4g pour l ‘ loT. C’est pour ces raisons que nous allons consacrer la section suivante à la description des méthodes de communication utilisées dans la norme de base IEEE 802.1 5.4 et de l’extension« g »de cette norme. Dans la littérature, il y a un intérêt croissant pour 1 ‘étude de la performance de la norme 802.15.4g. Certaines études ont examiné l ‘effet de l’interférence et de l’ estimation du canal sur le taux d’ erreur binaire ou Bit Error Rate (BER) [33-35]. Dans [36], un récepteur CMOS basé sur la couche physique IEEE 802.15.4g MROFDM a été mise en oeuvre et les mesures expérimentales ont été présentées. Une étude comparative de l’IEEE 802.15.4g et Wi-Fi dans un canal rural et urbain avec ombrage est présentée dans [3 7]. Au meilleur de nos connaissances, ce travail est le premier à proposer une étude comparative des normes IEEE 802.15.4 et IEEE 802.15.4g pour un environnement rude tel que les mines souterraines.

Technique avec multiplexage fréquentiel OFDM

Le multiplexage par répartition orthogonale de fréquence ou Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) est une technique de codage de données numériques. Cette technique permet de coder les données sur plusieurs fréquences porteuses. L’OFDM s’est développé comme une technique très populaire pour la communication sans-fils. Par définition, la modulation est le fait de coder l’information par des changements de fréquence, de phase ou d’amplitude d’un signal porteur. Le multiplexage porte sur l’allocation d’une bande passante donnée à tel utilisateur. La technique OFDM est une combinaison de modulation et de multiplexage. Dans cette technique, la bande passante est partagée entre des sources de données modulées individuellement. Les techniques de modulation usuelles (comme QAM, BPSK, QPSK, etc.) sont des techniques de modulation mono-porteuse, c’est-à-dire que les informations entrantes sont modulées sur une seule porteuse. OFDM est une technique de modulation multi-porteuse. Cette appellation vient du fait que OFDM emploie plusieurs porteuses, dans la bande passante allouée, pour transmettre le informations de la source à la destination. Chaque porteuse peut utiliser 1 ‘une des diverses techniques de modulation numérique disponibles (BPSK, QPSK, QAM, etc.) [46]. Un exemple de forme d’onde d’un signal OFDM est présenté dans la figure 4.2.

L’avantage principal de la technique OFDM par rapport aux systèmes monoporteuse est sa capacité à faire face à des conditions de canal sévères. Cette technique utilise des techniques d’égalisation simple pour contourner l ‘effet d ‘un canal à l’évanouissement multi trajet. L’égalisation des canaux est simplifiée parce que l’OFDM peut être considéré comme utilisant de nombreux signaux à bande étroite lentement modulés plutôt qu’un signal large bande à modulation rapide. Il est très difficile de traiter la sélectivité en fréquence pour une communication mono porteuse sous risque de rendre le récepteur extrêmement complexe. Au lieu de réduire l’évanouissement multi trajet dans son ensemble, OFDM atténue le problème en convertissant tout le canal sélectif en fréquence en de petits canaux d’évanouissement plats. L’évanouissement plat est alors plus facile à corriger en employant des techniques simples de correction d’ erreur et d’égalisation. La technique OFDM est adoptée pour la spécification 802.15.4g pour les réseaux SUN. Les raisons de notre intérêt envers l’étude de la norme 802.15.4g dans sa version OFDM s’expliquent par les avantages que cette technique offre pour faire face aux distorsions introduites par le canal de propagation minier.

Table des matières

Chapitre 1 : Introduction
1.1. Contexte de l’étude
1.2. Problématique du travail
1.3. Objectif de l’étude
1.3.1. Objectif général
1.3.2. Objectifs spécifiques
1.4. Méthodologie
1.4.1. Cadre scientifique
1.4.2. Démarche suivie
1.5. Plan du mémoire
Chapitre 2 : Système de communication pour les RCSF industriels
2.1. Introduction
2.2. Contraintes et classification des applications industrielles
2.2.1. Classification des applications industrielles
2.2.2. Contraintes de déploiement des RCSF
2.3. Protocoles normalisés pour les RCSF industriels
2.3.1. ZigBee
2.3 .2. RPL
2.3.3. ISA100.11a.
2.3.4. WirelessHART
2.4. Conclusion
Chapitre 3: Le canal de communication minier
3.1. Introduction
3.2. Caractéristiques de propagation d’un canal sans-flls
3.2.1. L’évanouissement multi trajets
3.2.2. Étalement du retard
3.2.3. Effet Doppler
3.3. Modèle de canal multi trajets
3.3.1. Canal d’évanouissement de Rayleigh
3.3.2. Canal d’évanouissement de Rice.
3.4. Complexité du canal minier
3.5. Choix du modèle du canal minier
3.5.1. Modèle statique
3.5.2. Modèle dynamique
3.6. Conclusion
Chapitre 4 : Méthode de communication pour les RCSF
4.1. Introduction
4.2. La famille des normes IEEE 802.15.4 pour les LR-WPAN
4.2.1. Effort de normalisation pour les LR-WPAN
4.2.2. La norme IEEE 802.15.4
4.2.3. Les différentes versions de la norme IEEE 802.15.
4.2.4. La norme IEEE 802.15.4g
4.3. Techniques de transmission des normes IEEE 802.15.4/4g
4.3.1. Technique avec étalement de spectre DSSS.
4.3.2. Technique avec multiplexage fréquentiel OFDM
4.4. Conclusion
Chapitre 5: Modélisation des communications pour un RCSF
5.1. Introduction
5.1. Les modèles de canal minier
5.1.1. Modèle statique
5.1.2. Modèle dynamique
5.2. Les modèles simulés
5.2.1. Architecture de l’émetteur-récepteur IEEE 802.15.4
5.2.2. Architecture de l’émetteur-récepteur IEEE 802.15.4g
5.3. Les modèles pour le banc d’essai
5.3.1. Schéma bloc de l’émetteur-récepteur IEEE 802.15.4
5.3.2. Schéma bloc de l’émetteur-récepteur IEEE 802.15.4g
5.4. Conclusion
Chapitre 6: Évaluation des performances par simulation
6.1. Introduction
6.2. Paramètres de simulation
6.3. Résultats de simulation préliminaires
6.3.1. Performances pour le canal Gaussien
6.3.2. Performances pour le canal LOS
6.3.3. Performances pour le canal NLOS
6.4. Résultat de simulation pour une topologie LOS
6.4.1. Performances pour le canal de Ri ce statique
6.4.2. Performances pour un canal de Rice pédestre
6.4.3. Performances pour un canal de Rice véhiculaire.
6.5. Résultats de simulation pour une topologie NLOS
6.5 .1. Performances pour le canal de Rayleigh statique
6.5 .2. Performances pour le canal de Rayleigh mobile
6.6. Récapitulatif des résultats
6.7. Conclusion
Chapitre 7: Évaluation des performances par un banc d’essai
7.1. Introduction
7.2. Intérêt de l’utilisation de la radio logicielle
7.3. Protocole expérinlental
7.3.1. Dispositif matériel ..
7.3.2. Paramètres d’expérimentation .
7.4. Résultats pour un banc d’essai
7.5 Conclusion
Conclusion générale.
Annexe A : Extrait du datasheet des cartes USRP N200/ N21 0
A.l Présentation du produit
A.2 Fonctionnalités des cartes USRP N200/N210
Annexe B: Extrait du datasheet de la carte fille RFX2400
B.l Description du produit
B.2 Fonctionnalité
B.3 La carte RFX2400
Annexe C: Articles publiés
Références bibliographiques

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