Prir captiv rapport final

8.2.Simulateur de conduite

8.2.1.Rôle

L’environnement de simulation CAPTIV a pour premier objectif de faciliter le développement de la partie applicative de CAPTIV, de valider les différents algorithmes, services répondant au cahier des charges, en s’affranchissant des contraintes liées au matériel.

Le deuxième objectif de ce simulateur est de tester l’application d’un point de vue utilisateur final, en immergeant ce dernier dans un environnement virtuel réaliste, au volant d’un véhicule, pouvant se déplacer dans une infrastructure routière. Ainsi, cela permet de réfléchir sur l’ergonomie et la pertinence des informations transmises au conducteur.

8.2.2.Architecture

Simulateur CAPTIV

Figure 7.7 : Architecture logicielle du simulateur CAPTIV
Serveur : Modélisation du canal radio par la réception de tous les messages envoyés par un client et la retransmission aux autres clients (avec possibilité de filtrage).

Interface UDP avec le simulateur EF-X ECA-Faros (réception des données dynamiques de l’EF-X).

Possibilité de créer des scénarii de test (mode autonome sans EF-X).

L’IHM (Interface Homme-Machine) du serveur (voir Figure 7.8 et Figure 7.9) permet de visualiser la situation géographiquement (l’emplacement des nœuds fixes, nœuds mobiles, et des panneaux).

Figure 7.8 : IHM de gestion CAPTIV Figure 7.9 : IHM de gestion (Zoom sur carrefour)
Client : un client peut, selon sa configuration, avoir le rôle d’un nœud mobile ou bien d’un nœud fixe. Le code, écrit via des protothreads, et utilisant le protocole de réseaux de capteurs propriétaire, permet un portage simplifié vers la plateforme matérielle existante.

Un client mobile peut afficher une IHM (voir Figure 7.10), sur laquelle sont transmises les informations d’alerte et/ou d’information au conducteur. Cette dernière sera portée sur PDA lors du passage à la plate-forme matérielle.

Figure 7.10 : IHM CAPTIV (destinée au conducteur)
Simulateur EF-X : Grâce à un partenariat avec l’entreprise ECA-FAROS (concepteur de logiciels pour la formation dans le domaine des transports), un simulateur automobile (version EF-X light) a pu être installé sur un PC de l’IRISA. Ainsi en exécutant le simulateur CAPTIV et le simulateur EF-X sur le même PC, on obtient en superposant l’IHM CAPTIV sur l’IHM EF-X un démonstrateur de l’application CAPTIV (voir figure 7.11).


Figure 7.11 : IHM de l’EF-X couplée à l’IHM CAPTIV

8.2.3.Services développés

Plusieurs services peuvent être proposés dans le contexte d’une communication infrastructure/véhicules. Ceux qui ont été retenus pour CAPTIV sont les suivants :

Signalisation par anticipation : le prochain panneau destiné au conducteur s’affiche ainsi que la distance à ce panneau (utile en cas de mauvaise visibilité).
Alerte véhicule venant de gauche (resp. de droite) : à l’approche d’un carrefour sur l’axe secondaire, un symbole s’affiche indiquant qu’un véhicule vient de la gauche (resp. de la droite) sur l’axe principal (utile pour aider à la décision à s’engager sur le carrefour, surtout si l’accès à ce dernier est en virage).
Alerte véhicule prioritaire à proximité : si un véhicule de type prioritaire (ambulance, pompier, …) entre dans le réseau, il signale à tous les véhicules par un symbole particulier sa présence.

8.2.4.Améliorations possibles

Quelques améliorations peuvent être apportées à l’environnement de simulation :

• 
  Modélisation du canal radio (atténuation du signal, erreur sur les trames, …)
  
• 
  Nouveaux services par l’ajout, par exemple, d’un nœud collecteur (type station de base) .
  
• 
  Intégration de la pile complète du protocole utilisé sur la plate-forme matérielle, afin de se rapprocher du processus de communication entre nœuds physiques.
  

9.Améliorations des algorithmes multi-antennes

Les systèmes multi-antennes permettent d’augmenter considérablement la capacité des canaux radio à évanouissements. Pour le même rapport Signal-sur-Bruit, les systèmes MIMO sont bien plus fiables que les systèmes SISO et ils nécessitent moins d’énergie pour une transmission au même taux d’erreur binaire. L’efficacité énergétique des transmissions MIMO est particulièrement utile pour les réseaux de capteurs sans fil où chaque nœud doit fonctionner sans échange ou recharge de batterie pendant très longtemps et où la consommation d’énergie est la contrainte la plus importante. C’est en particulier le cas dans le contexte CAPTIV, les modules émetteurs-récepteurs intégrés aux panneaux ayant même vocation à devenir autonomes en énergie grâce à des capteurs photovoltaïques. Cependant, l’application directe des techniques MIMO au contexte des RdC est difficile étant donnée la taille limitée des nœuds qui, a priori, ne peuvent supporter qu’une seule antenne. Heureusement la coopération entre capteurs est possible tant à l’émission qu’à la réception pour former un système MIMO "coopératif".

Ces systèmes MIMO coopératifs peuvent alors jouer un rôle particulièrement important pour les transmissions à moyenne ou longue distance où l’énergie de transmission domine la consommation globale. De nombreuses applications, comme la surveillance de zone ou les ITS, ont particulièrement besoin de ce genre de transmission car la densité des nœuds peut être faible. Les schémas MIMO coopératifs nécessitent toutefois une énergie supplémentaire pour l’échange local de données entre nœuds et les traitements numériques additionnels, ce qui les rend impropres aux courtes transmissions. Dans le précédent rapport, nous avions démontré l’intérêt des techniques MIMO pour le contexte CAPTIV et proposé une optimisation du schéma de transmission en fonction de la distance. Un des problèmes majeurs de cette transmission MIMO coopérative est la désynchronisation entre les émetteurs, dont l’étude fait l’objet des sections suivantes.

9.1.Impact de la désynchronisation des émetteurs sur la performance des systèmes coopératifs

Les nœuds étant séparés physiquement, leurs horloges respectives ne sont pas parfaitement synchronisées. Les émissions désynchronisées génèrent de l’interférence entre symboles (figure 8.1), diminuent l’amplitude du signal reçu, et rend donc l’estimation du canal et la démodulation bien plus difficiles. A la réception, chaque nœud coopératif doit transférer par voie hertzienne le signal qu’il a reçu au destinataire final, ce qui rajoute encore du bruit au signal utile. Par conséquent, à cause de cette dégradation des performances, soit le taux d’erreur binaire (TEB) est plus élevé pour un même rapport Signal-sur-Bruit (RSB), soit l’énergie de transmission doit être augmentée.

Les recherches menées pour évaluer la dégradation des performances dues à la désynchronisation des émetteurs montrent que celle-ci augmente effectivement en fonction de l’erreur de désynchronisation mais aussi du nombre de récepteurs. Cependant, le système MIMO coopératif se montre plutôt tolérant, et pour des erreurs de synchronisation inférieures à un cinquième d’une durée symbole, la dégradation peut même être considérée comme négligeable.


Fig. 8.1 : Effets de la désynchronisation des émetteurs

9.2.Technique de combinaison spatio-temporelle pour transmissions MISO désynchronisées

De nouvelles techniques de combinaison spatio-temporelles ont été étudiées pour contrer cette désynchronisation des émetteurs. L’idée d’utiliser, pour chaque récepteur, des processus de synchronisation différents pour chaque émetteur, semble être une idée particulièrement prometteuse, comme le montre la figure 8.2, au prix d’un accroissement de complexité qui reste relativement faible. Chaque récepteur échantillonne ainsi les données à deux instants différents et n’a plus qu’à reconstituer la séquence d’information émise.

Fig. 8.2 : Performances de la nouvelle technique de combinaison

10.Valorisation des recherches

10.1.Actions de dissémination

Les résultats obtenus lors de ce programme de recherche sont particulièrement intéressants, et nous avons eu l’occasion de nous rendre compte de l’attrait des scientifiques et des industriels (qu’ils soient du domaine des communications mobiles ou de l’automobile) pour les démonstrateurs et le simulateur.

10.1.1.Rencontre technologique HDMOC (Haut Débit, Mobilité, Objets Communicants)

Ce fut notamment le cas lors de la journée Objets Communicants du 22 novembre 2007, organisée conjointement par les technopôles de Brest et Quimper à l’Ecole Navale (Lanvéoc, 29). Lors de cette journée, le projet CAPTIV disposait d’un stand pour exposer un démonstrateur et le simulateur de conduite, qui ont suscité beaucoup d’intérêt. Le projet a également été présenté lors d’une session orale, et les questions qui ont suivi ont permis de mesurer l’engouement du grand public pour un tel projet.

10.1.2.Congrès ITS de juin 2008 à Saint-Brieuc

Ce congrès était la première manifestation d’envergure lors de laquelle CAPTIV était exposée, et les résultats obtenus, ainsi que les démonstrateurs ont grandement intéressé le public. La vidéo CAPTIV notamment, qui explique de façon claire les aboutissements du projet, a été très appréciée. La Journée scientifique du GIS ITS Bretagne le 11 juin 2008 à Planguenoual fut également l’occasion de présenter CAPTIV à un ensemble de scientifiques du domaine et l’objet de nombreux échanges très productifs.

10.1.3.Atelier Réseaux de capteurs sans fil

Cette journée fur organisée par la MEITO le 25 septembre 2008 à l’ENS Cachan (antenne de Bretagne), et CAPTIV fut présentée comme un exemple concret d’application du concept de réseaux de capteurs.

10.1.4.Matinales de Rennes Atalante : Les applications des hyperfréquences et des radiofréquences dans l'automobile

Organisée le 29 janvier 2009 à la MEITO (Rennes), cette matinée permit de présenter CAPTIV à l’ensemble des industriels de la région rennaise, et de susciter de nombreux débats sur l’apport des radiocommunications dans les ITS.

10.1.5.Site internet

Par ailleurs le site coopératif CAPTIV https://captiv.irisa.fr/ hébergé par l’IRISA est régulièrement alimenté par les partenaires du projet, ce qui permet de suivre son évolution.

10.2.Vulgarisation pour le grand public

10.2.1.Articles de presse

Le projet CAPTIV est particulièrement intéressant pour expliquer au grand public l’intérêt des nouvelles technologies pour les futurs systèmes de transport. De nombreux magazines de presse écrite ou en ligne se sont donc intéressés au projet. Parmi ceux-ci on peut citer :

• 
  Des panneaux qui nous parlent
  
  • 
    Sciences Ouest n°232, Mai 2006
    
• 
  Convaincre les cartographes et les fabricants de panneaux
  
  • 
    Sciences Ouest n°255, Juin 2008
    
• 
  CAPTIV : des panneaux intelligents qui nous aident à conduire
  
  • 
    Interstices, décembre 2008
    
• 
  Des panneaux de signalisation intelligents
  
  • 
    Inédit n°67, janvier 2009
    
• 
  Au service de la sécurité routière
  
  • 
    Lettre d’information IETR.com n°11, janvier 2009
    

10.2.2.Manifestations scientifiques grand public

Le grand public a pu apprécier les efforts de recherche fournis par les partenaires du projet CAPTIV lors de plusieurs manifestations de vulgarisation scientifique. Ils peuvent à la fois essayer de comprendre le principe du projet avec la vidéo ou les explications des scientifiques, et essayer le démonstrateur. Ce fut notamment le cas lors de la Nuit des Chercheurs, lors de la Fête de la Science ou encore l’inauguration des nouveaux bâtiments du Véhipole de Ploufragan.

10.2.3.Vidéo

L’application concrète des efforts de recherche pour le grand public font de CAPTIV un candidat idéal pour une vulgarisation de masse et une bonne vitrine pour les nouvelles technologies dans les ITS. L’INRIA a donc accepté de tourner une vidéo de 8 minutes en format haute définition pour promouvoir le projet et a dépêché en Bretagne une équipe de tournage de 5 personnes dirigée par Christian Blonz. La vidéo obtenue reflète vraiment les recherches effectuées et mettent en valeur les résultats obtenus. Son doublage en langue anglaise permet d’ailleurs une utilisation pour introduire le projet lors de conférences internationales. Il faut mentionner que la version française fut sélectionnée parmi les finalistes du festival du film de chercheur de Nancy, en avril 2009, et bénéficié de projections grand public dans ce cadre, ainsi que de relais dans les médias locaux.

10.3.Publications internationales

Outre la vulgarisation, le projet CAPTIV est source de plusieurs publications dans des conférences internationales de haut niveau. Le projet dans son ensemble a notamment été présenté à :

• 
  Conférence internationale IEEE sur les Télécommunications pour les Systèmes de Transport Intelligent (ITST)
  
  • 
    Octobre 2008 à Phuket, Thaïlande
    

• 
  Congrès ATEC-ITS France
  
  • 
    5 février 2009 au Palais des Congrès de Versailles
    

Les études algorithmiques sur les systèmes multi-antennes coopératifs ont donné lieu à des publications dans les actes de conférences internationales à comité de lecture :

• 
  IEEE Vehicular Technology Conference (VTCSpring)
  
  • 
    Mai 2008, Singapour
    

• 
  IEEE International Conference on Communications (ICC)
  
  • 
    Mai 2008 à Pékin, Chine
    

• 
  Conférence internationale IEEE sur les Télécommunications pour les Systèmes de Transport Intelligent (ITST)
  
  • 
    Octobre 2009 à Lille
    

11.Conclusion

La première année avait permis de retenir une solution technologique à partir d’un cahier des charges précis de l’application CAPTIV. Des premières mesures avaient été obtenues, qui avaient permis de valider la bande de fréquence des 2,4 GHz pour la transmission entre éléments du système, et des études théoriques avaient montré l’intérêt des techniques multi-antennes pour le contexte CAPTIV.

Durant la deuxième année, grâce à l’acquisition ou la conception par toutes les parties universitaires du projet de solutions technologiques fonctionnant aux fréquences désirées, nous avons pu réaliser de nombreuses expérimentations permettant de valider en contexte réel les simulations de caractérisation de canal et de diagrammes de rayonnement d’antennes. Plusieurs démonstrateurs ont ainsi pu être mis en place et validés dans le contexte CAPTIV, notamment en ce qui concerne la reconnaissance de signalisation. Par ailleurs, outre les objectifs que nous nous étions fixés à la fin de la première étape, et qui ont été parfaitement remplis, le projet s’est enrichi de nouveaux acteurs et nouvelles réalisations. Le Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées (LRPC) de Saint-Brieuc nous a ainsi apporté une aide précieuse pour mieux prendre en compte les situations réelles de danger et les besoins des conducteurs en terme d’aide à la conduite, en menant des études précises sur les intersections. Afin de valider la partie logicielle du projet CAPTIV d’une part mais aussi pour permettre d’appréhender les réactions des usagers de la route face à l’aide apportée par CAPTIV, le projet s’est enrichi d’un simulateur de conduite dérivé du logiciel de la société lannionaise ECA-FAROS. Enfin, de nouvelles études théoriques ont permis de mettre en évidence le problème de désynchronisation des émetteurs dans un système MIMO coopératif et de proposer de nouvelles techniques de combinaison spatio-temporelle.

La troisième et dernière année du projet nous a permis de finaliser le démonstrateur et de le rendre totalement opérationnel en contexte réel. Grâce à un bilan de liaison complet, rendu possible par des caractérisations précises du canal radio-mobile entre un véhicule et un carrefour, des antennes transparentes répondant au cahier des charges CAPTIV ont été conçues et réalisées. Le logiciel correspondant à la partie applicative du projet est maintenant fiable et installé simultanément sur le simulateur et sur les éléments communicants (panneaux et véhicules). L’interface d’aide à la conduite CAPTIV implantée sur le simulateur permet de tester le comportement du conducteur face à ces nouvelles informations. Grâce au démonstrateur physique, le dispositif a pu être évalué dans des conditions réalistes et en particulier dans des intersections jugées accidentogènes.

12.Perspectives

Le projet CAPTIV s’est parfaitement déroulé, les avancées technologiques et les recherches menées dans ce cadre ont permis d’aboutir à un démonstrateur efficace et fiable, totalement autonome pour un carrefour dangereux. Cependant, avant d’envisager un déploiement, de nombreux points restent à améliorer. Pour pouvoir être opérationnel, un tel système ne doit pas attendre que tous les véhicules soient équipés du dispositif, et il faut donc envisager d’ajouter des capteurs au bord de la route. Par ailleurs le but de CAPTIV est de créer un véritable réseau ad-hoc, comportant plusieurs carrefours et par conséquent de nombreux véhicules. Il faut donc évaluer l’impact de ce passage à l’échelle sur le protocole de communication, et s’assurer de sa fiabilité et de son efficacité. Il semble envisageable d’augmenter encore l’efficacité énergétique du dispositif en incluant les algorithmes étudiés dans CAPTIV. Enfin, avant la phase de production, l’ergonomie de l’IHM doit être améliorée.

Toutes ces améliorations ne pourront se faire sans l’apport d’autres laboratoires et d’industriels du domaine, et ils sont nombreux à s’être proposés pour faire partie de l’extension de CAPTIV à un projet national ou européen. Pour faciliter l’évaluation du système, il a été choisi de se restreindre à une flotte particulière, les transports en commun. Pour ce nouveau projet, baptisé TRANSECT (pour Systèmes Coopératifs pour une SECurisation des TRANSports Interurbains et de leur Trajet), le consortium a donc intégré les partenaires suivants :

• 
  Académique : le laboratoire d’informatique VALORIA, de l’Université de Bretagne Sud à Vannes, et plus précisément une équipe spécialisée dans le routage à connectivité intermittente, intéressant entre les carrefours
  

• 
  Industriels
  
  • 
    Veolia Transport, plus grand groupe européen de transport en commun, qui souhaite suivre les avancées technologiques en radiocommunication pour sécuriser les lignes de bus
    
  • 
    Kerlink, équipementier qui travaille déjà avec Veolia et fournit des boîtiers de communication
    
  • 
    ECA-FAROS, société lannionaise de simulation routière, et qui souhaite développer un simulateur de transport en commun
    
  • 
    BeNomad, PME de la région niçoise, qui propose des solutions logicielles pour les navigateurs
    

Ce nouveau projet, bien que labellisé par le pôle AHG en avril 2009, n’a pas été retenu par l’Agence Nationale de la Recherche pour l’appel à projets VTT 2009, mais étant donné l’intérêt suscité lors des présentations, il sera certainement soumis sous une autre forme, en prenant particulièrement en compte la nouvelle bande de fréquence à 5,9 GHz réservée par l’Union Européenne pour les communications entre véhicules et infrastructure routière, et en intégrant d’autres acteurs majeurs parmi les équipementiers ou les constructeurs.

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