Prir captiv rapport final

6.Performances des éléments communicants

6.1.Plate-forme de développement

L’évaluation des performances des éléments communicants réalisée par TELECOM Bretagne s’appuie sur la plate-forme de développement Silabs 2.4 DK. Elle est composée de six cartes d’évaluation 802.15.4/ZigBee, d’un adaptateur débogueur compatible USB et d’une suite de logiciels de développement. Chaque carte comprend un micro-contrôleur C8051F121, un transceiver Chipcon CC2420 fonctionnant à 2.4GHz, une antenne, une interface USB, une interface de programmation JTAG et quelques boutons poussoir et leds. Les cartes sont alimentées soit à l’aide de pile 9V, soit par l’interface USB. La suite de logiciels comprend l’outil de développement Silabs IDE, l’outil de développement Keil Sofware pour 8051, une bibliothèque d’API 802.15.4 et ZigBee, des exemples de fichiers source, et des logiciels de démonstration s’exécutant sur PC.

En utilisant les logiciels de démonstration, cette plate-forme peut donc fournir rapidement des premiers éléments de validation, aussi bien en configuration simple de type point à point qu’en configuration plus complexe de type réseau maillé. Dans un deuxième temps, le développement d’applications spécifiques va nous permettre d’évaluer les performances des éléments communicants dans le contexte plus précis de notre projet.

Dans un dernier temps enfin, les performances des antennes dont la conception faisait l’objet de la section 4 de ce rapport seront évaluées dans le contexte applicatif CAPTIV.

6.2.Rappel des critères pertinents

Le système de communication retenu pour un démonstrateur de type carrefour doit satisfaire les principaux critères suivants : couverture, débit, mobilité, réactivité, disponibilité, qualité de service, densité d’utilisateurs, consommation. Pour chacun de ces critères, nous allons rappeler le seuil acceptable vis à vis de notre besoin et fournir les données constructeurs.

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  Couverture : une portée minimum de 100 mètres est requise en ligne de vue directe.
  

Les dispositifs actuellement en vente annoncent des portées de 100 mètres pour la fréquence 2,4 GHz. Ces portées sont obtenues pour des sensibilités de récepteurs atteignant -90 à -96 dBm, plus performants que les spécifications de la norme (-85 dBm).

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  Débit : le débit minimum souhaitable est estimé à 40 kbit/s. Le débit offert par le standard ZigBee est de 240 kbit/s pour la fréquence de 2,4 GHz. Il s’agit de débit brut, le débit utile étant plus faible. En effet, des entêtes sont ajoutés par chaque couche de protocole et le traitement logiciel du protocole peut également affaiblir le débit, notamment dans le cas de multi-bonds.
  
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  Mobilité : nous retiendrons une vitesse de déplacement des mobiles inférieure à 60 km/h. Ce paramètre ne figure pas directement dans les spécifications, mais l’étalement de spectre est naturellement assez robuste vis-à-vis de l’effet Doppler, et les circuits disponibles acceptent des dérives de fréquence importantes (120 ppm pour le Chipcon).
  
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  Réactivité : une réactivité de 100 ms est attendue. Les spécifications des constructeurs annoncent des temps d’accès réseau de 30 ms, et des temps de réveil de 15 ms. Ces données sont fortement liées à la topologie du réseau, à sa charge, à la configuration de la pile, et au type de processeur qui la met en œuvre.
  
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  Disponibilité et Qualité de service : ce dispositif de communication ne dépend pas d’un opérateur extérieur, de plus il est auto-cicatrisant. Le protocole 802.15.4 est particulièrement fiable, la MAC contrôle les trames, les acquitte et gère les retransmissions.
  
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  Densité d’utilisateurs : dans un rayon de 200 mètres, 100 dispositifs doivent être en mesure de communiquer. ZigBee autorise des tailles de réseaux de 65 000 équipements, mais une telle taille de réseau présenterait des problèmes de réactivité, de place mémoire et de puissance de traitement. Il sera intéressant d’évaluer la tenue à la charge.
  
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  Consommation : les composants disponibles consomment de 25 à 40 mA en émission ou en réception. La consommation réelle d’un équipement sera supérieure, mais elle dépendra de l’utilisation (puissance d’émission, durée d’émission, profil de la pile, application associée).
  

6.3.Mesures réalisées

6.3.1.Puissance

Avant de procéder à des campagnes de mesures sur le terrain, la puissance émise, le diagramme de rayonnement et l’étalonnage de la mesure intégrée ont été évalués en laboratoire. Le gain mesuré de l’antenne fouet est de 4 dB. L’indication fournie par le dispositif intégré correspond à celle obtenue avec un analyseur de spectre dans une bande de 10 kHz. La figure 6.1 reproduit le diagramme de rayonnement mesuré en azimut. La mesure est effectuée avec un dispositif équipé de son antenne fouet, en mode d’émission forcée et avec un analyseur de spectre alimenté avec le même type d’antenne. On constate pour les antennes fouet, courbe bleue, un diagramme régulier en azimut ; la courbe rose (type 2) correspond à une antenne réalisée en interne.

Fig 6.1 : Diagramme de rayonnement

6.3.2.Portée et mobilité

Fig 6.2 : Scénario d’évaluation en mobilité
La distance d’accrochage pour deux dispositifs placés en vue directe et en extérieur est de l’ordre de 180 mètres. Le décrochage se produit pour une distance de 250 mètres, ce qui correspond à une puissance reçue de –92 dBm. Quand un dispositif est placé à l’intérieur d’un véhicule, derrrière le pare-brise, on observe une atténuation de 6 dB par rapport à une utilisation extérieure.
L’évaluation de la mobilité a été réalisée en plaçant un dispositif à l’extérieur d’un véhicule en déplacement, en approche puis en éloignement d’un dispositif fixe, comme le montre la figure 6.2. La mesure des instants d’accrochage et de décrochage, associée à la vitesse du véhicule permet de déterminer les distances d’accrochage et de décrochage. Le tableau 6.1 résume les mesures réalisées, Tpa, Dac, Tpd, Ddec représentent respectivement le temps d’accrochage, la distance d’accrochage, le temps de décrochage et la distance de décrochage. Ces mesures montrent que globalement la mobilité ne perturbe pas les communications même à une vitesse de 100 km/h. On observe cependant une disparité dans les résultats obtenus, due d’une part à la technique de mesure approximative, mais également à la réactivité des dispositifs.

V (km/h)	V (m/s)	Tpa (s)	Dac (m)	Tpd (s)	Ddec (m)
30	8.33	23.0	191	28.4	236
40	11.11	15.4	171	19.6	217
50	13.89	13.15	182	12.77	177
60	16.66	8.0	133	13.1	218
70	19.44	8.22	159	13.87	269
80	22.22	6.25	139	7.77	172
90	25.00	7.23	180	8.51	212
100	27.78	5.7	158	8.92	248

Tab 6.1 : Effet de la vitesse sur la distance de fonctionnement.

6.3.3.Débit utile

Le débit a été évalué en mesurant à l’aide d’un oscilloscope, le temps nécessaire à l’émission de 1000 trames. La mesure a été réalisée connexion établie, pour des trames de 5 et de 94 octets utiles. La durée moyenne d’émission d’une trame de 5 octets est de 4,6 ms, ce qui correspond à un débit de 1,08 ko/s soit 8,7 kb/s. Ce débit correspond à l’émission de trames courtes, dans le cas où seuls deux dispositifs communiquent. La durée moyenne d’émission d’une trame de 94 octets est de 8 ms, ce qui correspond à un débit de 11,75 ko/s soit 94 kb/s. La figure 6.3 met en évidence la dispersion des temps de transmission qui est de l’ordre de 15 µs. Le débit attendu de 40 kbit/s ne sera pas atteint dans le cas d’échange de trames courtes, mais il est dépassé pour des trames longues. Il est donc préférable de raisonner en transaction par seconde plutôt qu’en débit.

F
ig. 6.3 : histogramme des temps (s) de transmission de 1000 trames de 5 octets utiles

6.3.4.Réactivité

Le temps de connexion a été mesuré à l’aide d’un oscilloscope, il comprend la découverte du réseau, la demande d’association et la configuration en routeur. Le temps moyen est de 587 ms avec une dispersion de 10 ms. Dans le cas d’une connexion suivie d’une émission de trame de 5 octets utiles, le temps moyen est de 593 ms comme le montre la figure 6.4. Un véhicule se déplaçant à 60 km/h parcourt une distance de 10 m pendant ce temps de connexion. Bien que la réactivité soit moins bonne que celle attendue, le système demeure viable pour des configurations simples ; la mise en œuvre d’un démonstrateur de carrefour permettra d’évaluer la résistance à la charge de ce paramètre.

Fig 6.4 :Histogramme des temps de connexion (s) incluant la transmission d’une trame de 5 octets

6.3.5.Consommation

Le module d’évaluation présente une consommation moyenne de 39 mA quand ZigBee est inactif et de 58 mA quand ZigBee est actif. Ces chiffres sont cohérents avec les données constructeurs des composants individuels, à savoir 50 mA pour le microcontrôleur 8051, et 18,8 mA pour le transceiver CC2420. La consommation des modules panneau ne peut pas être assurée par des piles, par contre un dispositif photovoltaïque peut convenir.

6.3.6.Conclusion

Parmi les points évalués, deux sont plutôt en dessous de nos attentes, il s’agit du débit utile et de la réactivité. Ces deux points sont fortement liés à la plate-forme utilisée pour l’évaluation. Pour développer une application de plus grande envergure deux choix sont possibles. Le premier consiste à utiliser une plate-forme plus puissante, il en existe actuellement sur le marché. L’autre solution consiste à remplacer le protocole de communication ZigBee par un protocole allégé, développé spécifiquement pour l’application visée.