Mod´elisation de la consommation ´energ´etique pour l’optimisation des techniques de transmission 

Un r´eseau de capteurs sans fil est constitu´e par un grand nombre de capteurs (appel´es ´egalement nœuds) [5]. Ils sont g´en´eralement de petites tailles et sont d´eploy´es a` l’int´erieur ou a` proximit´e de certains ph´enom`enes d’int´erˆet. Leurs capacit´es d’auto-organisation leurs permettent d’ˆetre plac´es dans des zones irr´eguli`eres voire inaccessibles. Dans de nombreux cas d’application, ces capteurs mesurent un ph´enom`ene physique et transmettent l’infor-mation jusqu’`a une station de base ou puits (en anglais sink ) qui stocke et exploite ces donn´ees (cf.figure 1.1). Chaque nœud est equip´ d’un circuit radio lui permettant de com-muniquer avec le reste du r´eseau. Dans le cas le plus complexe, un nœud peut ´egalement servir de relais, constituant ainsi un r´eseau ad-hoc.

Grˆace a` ces caract´eristiques, les r´eseaux de capteurs sont utilis´es dans plusieurs do-maines. On peut citer les bˆatiments et les maisons intelligentes, les services a` la personne, les services m´edicaux et de loisirs, les transports et l’a´eronautique, l’environnement, la logistique, les proc´ed´es industriels et l’usine intelligente [6, 7, 8].

En fonction de l’application vis´ee, les contraintes de conception li´ees aux dimensions physiques des nœuds, au coˆut et `a l’alimentation ´electrique, peuvent varier de fa¸con im-portante. Par cons´equent, les solutions adopt´ees pour la conception des nœuds et de tout le r´eseau peuvent varier en fonction de ces caract´eristiques `a savoir :

Dur´ee de vie importante C’est un point essentiel pour les r´eseaux de capteurs lors-qu’ils sont aliment´es par des sources d’´energie limit´ees (piles, batteries). Le rempla-cement des piles ou le rechargement des batteries peut ˆetre coˆuteux en maintenance voir impossible. Il est donc fortement recommand´ de maximiser la dur´ee de vie des nœuds. Ceci peut ˆetre obtenu avec des sources d’´energie de forte capacit´e, de la r´ecup´eration d’´energie de l’environnement (solaire, vibratoire, thermique, etc.) ou en minimisant la consommation ´electrique. L’optimisation de la consommation peut ˆetre effectu´ee `a tous les niveaux d’un r´eseau de capteurs (nœud, transmetteur, protocole, routage etc.).

En outre des caract´eristiques telles que la facilit´e de mise en place, le faible coˆut, la longue port´ee, la couverture g´eographique, etc, les r´eseaux de capteurs poss`edent les caract´eristiques suivantes :

Auto-configuration Les nœuds peuvent ˆetre tr`es nombreux et r´epartis de fa¸con al´ea-toire sur la zone de d´eploiement. Dans ces conditions une configuration manuelle des nœuds est difficile. Il est donc attendu que les nœuds s’auto-organisent sous la forme de r´eseaux ad-hoc ;

Un nœud capteur permet de mesurer des ph´enom`enes physiques mais ´egalement de communiquer avec d’autres nœuds via une interface radio. Cette fonction repose sur une architecture mat´erielle compos´ee de plusieurs blocs fonctionnels (cf. figure 1.2) [7]. Une unit´e d’alimentation permet d’assurer le fonctionnement autonome du nœud (g´en´erale-ment une batterie accompagn´ee d’un convertisseur continu-continu DC/DC).
Un convertisseur analogique num´erique (ADC) permet de convertir les donn´ees analo-giques mesur´ees en donn´ees num´eriques exploitables par l’unit´e de traitement. Cette unit´e constitue la partie logicielle du capteur. Elle est form´ee par un contrˆoleur et une m´emoire pour le stockage des donn´ees. Enfin le module radio permet de v´ehiculer les informations acquises par le capteur vers un autre nœud ou vers la station de base. G´en´eralement, la partie num´erique (microcontrˆoleur) et radio consomment une part tr`es importante de l’´energie.

Le microcontrˆoleur du nœud joue un rˆole central. Il g`ere la partie acquisition et radio. Il permet ainsi de mettre en œuvre notamment les protocoles de communication. Apr`es avoir trait´e les donn´ees, il d´ecide quand et `a qui les transmettre. Il traite aussi les donn´ees issues des autres nœuds et il met en œuvre les protocoles MAC (Medium Access Control ). Cette fonction n´ecessite des microcontrˆoleurs `a faible consommation, capables d’adapter leurs modes de fonctionnement aux diff´erentes tˆaches a` r´ealiser. A titre d’illustration, le tableau 1.1 montre la puissance consomm´ee par le microcontrˆoleur MSP 430 [9], dans diff´erents modes de fonctionnement.

L’efficacit´ energ´etique du module RF d´epend de la couche physique impl´ement´ee. Ainsi, ses performances d´ependent de la bande utilis´ee, de la puissance d’´emission, de la distance de transmission, de la pr´esence ou non de codes correcteurs d’erreurs et du type de la modulation. Ce bloc consomme beaucoup d’´energie pour assurer ces fonctions.
Parmi les dispositifs radios les plus connus, on peut citer le module CC2420 qui im-pl´emente la norme IEEE.15.4. La consommation de ce module est d´ecrite dans le tableau 1.2 et d´epend de diff´erents modes d’op´eration. Ces modes sont :
— le mode ´emission o`u le nœud transmet des donn´ees,
— le mode r´eception o`u le nœud re¸coit des donn´ees,
— le mode idle, le nœud passe en mode consommation r´eduite o`u ses fonctions sont limit´ees,
— le mode veille (standby) pendant lequel le nœud est inactif. Apr`es un temps pr´ed´efini, il passe en mode idle.
En moyenne, le bloc radio consomme environ 60 mW, soit 20 mA sous 3V [10]. Il consomme 3 a` 4 fois plus qu’un microcontrˆoleur. Toutefois, le microcontrˆoleur fonctionne g´en´eralement plus longtemps pour le traitement des donn´ees re¸cues (d´ecodage, algorithme des protocoles r´eseaux) que le bloc radio.

Le protocole de communication est form´e de quatre couches d´efinissant le mod`ele OSI (Open Systems Interconnection) propre aux r´eseaux de capteurs (cf. figure 1.3). Dans cette pile, la couche r´eseau utilise les protocoles de routage pour acheminer l’information entre les nœuds. La couche liaison de donn´ees est form´ee de deux sous couches MAC et LLC (Logical Link Control ). La sous couche MAC permet de mettre en œuvre des m´ecanismes pour l’acc`es des nœuds au canal de communication. La sous couche LLC permet de d´etecter et corriger les erreurs. La couche physique a pour fonction d’adapter l’information `a transmettre au canal de propagation via des techniques de traitement de signal li´ees aux modulations, pr´ecodage, etc.
Les r´eseaux de capteurs op`erent g´en´eralement dans les fr´equences ISM (Industriel Scientific and Medical) ne n´ecessitant pas de licence. Les principaux standards de com-munication a` faible port´ee sont d´efinis dans le tableau 1.3 [11]. Du point de vue de la consommation energ´etique, les standards Bluetooth et Zigbee semblent les mieux appro-pri´es aux r´eseaux de capteurs car ils sont con¸cus pour des produits portables, `a source d’´energie limit´ee et `a tr`es faible port´ee (au maximum 10 m). Alors que l’UWB cible de tr`es fort d´ebits `a faible port´ee, le WIFI est adapt´e aux syst`emes a` temps de connexion plus longs et a` des dispositifs ayant acc`es a` une source d’´energie plus importante.

 

Dans ce paragraphe on se propose de comparer les modulations principales du point de vue de la consommation d’´energie. Nous supposons que la distance de transmission est d ≤ 200 m`etres. Nous consid´erons les modulations OOK, BPSK et 2FSK pour les syst`emes fonctionnant `a faible d´ebit (ηM = 1 bit/symole). Nous choisirons les modulations QPSK et 4FSK pour les syst`emes fonctionnant avec un d´ebit moyen (ηM = 2 bits/symole). Enfin, nous privil´egierons les modulations 16QAM, 32QAM et 64QAM pour les d´ebits ´elev´es (ηM > 2 bits/symole). Le tableau 3.1 r´esume les diff´erentes configurations envisag´ees.

Consommation d’´energie

Afin d’´evaluer l’efficacit´e ´energ´etique de chaque modulation, nous allons construire un mod`ele nous permettant d’´evaluer la consommation ´energ´etique totale de chaque modulation. Ce mod`ele prend en compte les diff´erents param`etres du syst`eme. Nous formulons ce mod`ele de la fa¸con suivante. La puissance re¸cue par le r´ecepteur Pr est exprim´ee en fonction de la puissance transmise Pt, de la distance de transmission d, de la longueur d’onde λ, des gains d’antennes en ´emission et en r´eception Gt et Gr et d’une marge Lf repr´esentant des pertes suppl´ementaires non prises en compte dans le mod`ele id´eal. En consid´erant l’espace libre, nous obtenons :Pr = Pt (4π)2d2Lf(3.1)

Optimisation ´energ´etique de la modulation MQAM

Comme annonc´e `a la fin du chapitre pr´ec´edent, nous consacrons la suite du travail `a l’optimisation ´energ´etique des syst`emes de transmission utilisant la modulation MQAM. Cette modulation est un bon choix lorsque nous cherchons `a minimiser l’´energie et `a am´eliorer l’efficacit´e spectrale. Nous verrons que cet avantage est ´egalement conserv´e lorsque nous cherchons l’efficacit´e spectrale qui minimise l’´energie totale consomm´ee. Nous nous int´eresserons `a l’impact des param`etres de transmission tels que la distance, le mod`ele de canal, le temps de transmission, la bande passante disponible ainsi que le mod`ele de canal sur l’optimisation ´energ´etique. L’objectif est de trouver dans chaque cas l’efficacit´e spectrale optimale qui minimise l’´energie. En effet, `a partir d’un sc´enario de communication d´ecrit, dans lequel l’´emetteur va transmettre au r´ecepteur une quantit´e d’informations, nous serons en mesure d’´etudier les performances de la modulation MQAM `a savoir sa consommation d’´energie en fonction de l’efficacit´e spectrale. Pour une bande passante fixe et pour une probabilit´e d’erreur donn´ee, nous chercherons alors la constellation optimale qui minimise l’´energie. Nous verrons l’influence de l’allocation de bande passante et aussi la variation de la probabilit´e d’erreur, qui suivant le mod`ele de canal choisi (AWGN, Rayleigh ou Nakagami) peut entraˆıner une augmentation de l’´energie consomm´ee n´ecessaire `a la d´etection correcte de l’information. Mˆeme si nous avons privil´egi´e les modulation MQAM, nous proposerons ´egalement une comparaison avec les modulation MPSK et MFSK et nous terminerons le chapitre en prenant en compte une m´etrique de la litt´erature adapt´ee `a l’´etude du rendement ´energ´etique des circuits.

Sc´enario de transmission ´etudi´e

Nous supposons que l’´emetteur doit transmettre L bits au r´ecepteur dans un d´elai maximal T. Pour ´economiser de l’´energie, le nœud utilise trois ´etats de fonctionnement : veille, transition, activit´e. En pr´esence d’un signal `a transmettre, le nœud est consid´er´e actif pendant le temps Ton. La puissance consomm´ee durant cette phase est not´ee Pon. En l’absence d’un signal `a transmettre, le nœud passe en mode veille pendant un temps Tsp. Dans ce mode, on peut consid´erer que tous les circuits sont ´eteints. La puissance ainsi consomm´ee, not´ee Psp, est alors extrˆemement faible et peut ˆetre n´eglig´ee, Psp ≃ 0. Le mode de transition d´esigne le passage entre les deux modes pr´ec´edents. On consid`ere uniquement la transition de l’´etat de veille `a l’´etat actif car cette transition est plus complexe et le temps correspondant, not´e Tsw, est plus important que pour le passage inverse. Cette phase inclut notamment le d´emarrage de l’oscillateur local (LO), de puissance Psyn, du cot´e de l’´emetteur et du r´ecepteur. La puissance consomm´ee dans cette transition est alors P sw = 2Psyn.
Le temps d’un cycle de transmission s’exprime finalement par : T = T on + Tsw + Tsp (4.1)

Optimisation de la constellation de la modulation MQAM

Dans le cas de la modulation MQAM, le nombre de bits par symbole est b = log2 M
Le nombre de symboles n´ecessaires pour transmettre L bits sera not´e Lb . Sachant que la p´eriode symbole est Ts, le nombre de symboles est alors ´egal `a TTon s . Par la suite, Lb = TTon s .
On suppose Ts ≈ B1 d’o`u b = BTLon. Puisque dans ce cas l’efficacit´e spectrale est donn´ee par θ = BTLon, on obtient b ≃ θ.
D’autre part, la puissance transmise est li´ee au RSB et aux autres param`etres. Consid´erons un canal avec un coefficient d’att´enuation k et une distance d, la puissance transmise est ´egale `a Pt = PrG (4.12) o`u Pr est la puissance re¸cue et G = G1dkMl est le facteur d’att´enuation d´efinit d´ej`a `a l’´equation (2.10). Le facteur de gain G1 correspond `a la distance d = 1 m et Ml est la marge de la liaison pour compenser les imperfections mat´erielles et le bruit. Le RSB par bit γ mesur´e `a l’entr´ee du r´ecepteur s’exprime par :γ =bBN0Nf(4.13)