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Energie et radio-sciences

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Introduction URSI FRANCE 2016 Sans énergie, rien n’est possible. L’énergie est le catalyseur de tous les phé- nomènes naturels et se pré- sente sous une variété de formes. Une de ses proprié- tés fondamentales est son caractère indestructible. Elle ne se crée pas, elle ne dis- paraît pas, mais se convertit d’une forme à une autre. L’énergie électromagnétique est l’une de ses formes les plus remarquables car elle se transmet sans fil et l’Univers en est rempli. Dans nos sociétés modernes, l’énergie demeure le moteur de nos applications et usages, même si les méthodologies et technologies pour la collecter, la stocker, la transporter, la convertir et l’exploiter ont connu des évolutions majeures au cours de ces dernières décennies. Dans le domaine des ra- dio-sciences et de la société de l’information, les nouvelles technologies tendent à être de moins en moins gourmandes en énergie. Télé-alimentation et récupération d’énergie complémentent batteries et piles comme sources d’énergie autonome voire s’y substituent. Pour autant, un bilan global de la consommation d’énergie du numérique est à dres- ser et à mettre en perspective avec des solutions innovantes. L’énergie ambiante sous ses différentes formes, solaire, ondes radio, thermique, cinétique, etc., est une source inépuisable et renouvelable qui devrait permettre le développement des écotech- nologies et de leurs nouveaux paradigmes. Malgré tout, force est de constater que le sec- teur des sciences et technologies de l’information et des communications (STIC) reste aujourd’hui un des plus gros contributeurs en émissions de gaz à effets de serre (CO2 ) (part estimée entre 2 et 10 % associée à une consommation mondiale d’énergie de l’ordre de 3 %). Cette part est, par exemple, comparable à celle de l’aviation civile et représente environ un quart de celle de l’industrie automobile. L’explosion du trafic Internet et des services radio-mobiles laisse présager une augmentation continue de cette contri- bution à moins que des solutions à forte efficacité énergétique ne soient trou- vées au niveau des réseaux. C’est la raison pour laquelle toutes les solutions visant à réduire la consommation des réseaux sans fil seront salutaires, d’autant plus que le prix de l’énergie représente une part non négli- geable du coût global des infrastructures. Ces rai- sons ont poussé la communauté scientifique des STIC à proposer des méthodes visant à en réduire l’empreinte carbone et à concevoir des « radio vertes », aussi bien dans un objectif de développe- ment durable que de développement de l’indus- trie des télécommunications. Les articles de ce numéro de la REE, présen- tés lors des Journées scientifiques d’URSI France 2016 de Rennes, abordent toutes ces probléma- tiques sous des angles variés. Ce numéro spécial comporte cinq articles. Un article de synthèse, deux articles traitant d’éco-radiocommunications et deux autres qui s’intéressent à la récupération d’énergie. L’article “Greening Information and Communi- cation Technologies” par Anne-Cécile Orgerie fait un état de l’art de la situation actuelle et propose quelques pistes pour réduire la consommation énergétique des TIC, notamment dans le domaine des datacenters, par des approches de type slow down or sleeping techniques. Ces techniques im- pliquent de pouvoir réveiller les équipements mis en veille. D’autres pistes mettant en jeu le com- portement des utilisateurs sont aussi décrites de façon à rendre ces derniers plus responsables, dans leur utilisation de terminaux et de smart- phones en particulier. Ainsi, des logiciels embar- qués mesurant la consommation en temps réel d’énergie pourraient être une première solution REE N°5/2016 87 Energie et radio-sciences Yves Louët Professeur de CentraleSupélec Laboratoire IETR Jacques Palicot Professeur de CentraleSupélec Laboratoire IETR URSI FRANCE 2016 pour sensibiliser les utilisateurs à une meilleure utilisation et donc une consommation réduite. Un autre aspect abordé est celui de la file d’attente : un utilisateur accepterait volontiers d’attendre un peu avant de recevoir son information s’il était in- formé que cela se fera au bénéfice d’une réduction de la consommation. Le premier article traitant d’écoradio s’intitule « Une architecture Intelligente pour l’améliora- tion de l’efficacité énergétique du réseau cellu- laire 5G ». Il est proposé par Antonio De Domenico & al. Dans cet article les auteurs proposent un nou- veau réseau de télécommunications sobre en éner- gie fossile. Pour ce faire, ce réseau est directement connecté au réseau électrique intelligent. De l’intel- ligence répartie à tous les ni- veaux permet une intégration étroite entre les deux réseaux. La solution présentée utilise une architecture hiérarchique et distribuée, associée à des mécanismes d’apprentissage. Elle permet d’obtenir des gains notables en consommation énergétique. Dans ce même domaine des radiocommunications, l’article « Récepteur de type “wake- up” radio à identification par empreinte fréquentielle » par Régis Rousseau, Florin Hutu et Guillaume Villemaud s’inté- resse à l’Internet des objets. La multitude d’objets connec- tés prévue à l’horizon 2020 accroîtra de manière consi- dérable l’énergie consommée et l’empreinte carbone des radiocommunications. Pour répondre à ce problème, les auteurs proposent un système de « réveil » du récepteur réa- lisé par un circuit analogique passif, qui consomme moins que les solutions classiques réalisées en numérique. Ce récepteur ne consom- mera pas du tout d’énergie en mode veille. En conclusion les auteurs soulignent que la solu- tion proposée demande à être étudiée plus en profondeur afin de remplir les critères de sensibi- lité, latence et robustesse. Une autre solution pour diminuer l’empreinte car- bone des objets connectés est proposée dans l’ar- ticle « Réalisation d’un rectenna dans la bande des 1,8 GHz, fonctionnant à faibles niveaux de puis- sance RF et optimisé par des techniques source- pull » par Jérôme Tissier et Mohamed Latrach. L’objectif est de rendre ces objets autonomes en énergie. En effet ceux-ci ont très peu d’information à transmettre et doivent consommer très peu. Il est donc envisageable de récupérer de l’énergie pour leur fonction- nement. Dans le monde de la radio, une façon simple de ré- cupérer de l’énergie (certes en très faibles quantités), consiste à récupérer l’énergie électroma- gnétique à l’aide de rectennas. Dans cet article, il a été montré que des techniques source-pull peuvent être un moyen efficace pour maximiser le rendement de conversion RF-DC en puis- sance d’un rectenna. Malgré tout, les auteurs soulignent que les niveaux d’énergie à récupé- rer sur une seule bande sont relativement faibles et seraient insuffisants pour assurer l’ali- mentation directe d’un objet communicant. Le dernier article intitulé “Autonomous DC-DC Conver- ter for RF energy Harvesting” par Salah Adami, Christian Vol- laire, François Costa et Bruno Allard, traite aussi de la récupé- ration d’énergie électromagné- tique. Il propose un système complet de gestion de l’énergie Introduction 88 REE N°5/2016 Jacques Palicot a obtenu son doctorat de l’université de Rennes I, mention Trai- tement du signal et de l’information en 1983. Il a ensuite travaillé, pendant 17 ans, comme ingénieur d’études TDF au CCETT (devenu Orange-Labs Rennes). De 2001 à 2003, il a été détaché à l’IRISA/INRIA comme spécialiste industriel. Il a intégré CentraleSupélec en 2003 et est responsable de l’équipe de recherche Signal Communi- cations et Electronique Embarquée (SCEE). Ses domaines d’activités portent sur le trai- tement du signal pour les communications numériques, la radio logicielle, la radio intelligente et l’écoradio. Jacques Palicot est vice-président de l’URSI/France. Yves Louët a obtenu son doctorat (2000) et son habilitation à diriger des recherches (2010) à l’université de Rennes 1, mention Traitement du signal et télécommunica- tions. Il est professeur de CentraleSupélec (campus de Rennes) et membre de l’équipe SCEE du laboratoire IETR (Institut d’électronique et de télécommunications de Rennes), UMR CNRS 6164. Ses domaines de recherche portent sur les communica- tions numériques et le traitement du signal pour les systèmes de télécommunications. Yves Louët est président de la commission C d’URSI France. Introduction URSI FRANCE 2016 récupérée basé sur un rectenna, un convertisseur “flyback” (adaptation d’impédance optimale vis- à-vis du rectenna) et un convertisseur “start-up” (amélioration de la sensibilité de tension). Les solu- tions proposées permettent d’atteindre un niveau de sensibilité très bas (quelques microwatts) et des rendements de conversion de tension de 50 à 84 %. Ces cinq articles illustrent parfaitement la diversité et le potentiel des solutions pour économiser l’éner- gie tant du point de vue du traitement du signal, de l’électronique ou des réseaux. Malgré tout, il reste encore un long chemin à parcourir avant de réduire de façon significative l’empreinte carbone des STIC et cela passera nécessairement par une modification de nos comportements qui devront être plus res- ponsables et plus respectueux de l’environnement et impliquer conjointement les efforts des opéra- teurs, équipementiers, ingénieurs et utilisateurs. Greening Information and Communication Technologies Anne-Cecile Orgerie ................................................................................................................................................ p. 90 Une architecture intelligente pour l’amélioration de l'efficacité énergétique du réseau cellulaire 5G De Domenico, M. Mendil et V. Heiries, R. Bonnefoi, J. Palicot et C. Moy, C. Gavriluta, R. Caire et N. Hadjsaid ................................................................................................................ p. 96 Récepteur de type“wake-up” radio à identification par empreinte fréquentielle Régis Rousseau, Florin Hutu et Guillaume Villemaud ............................................................................. p. 105 Réalisation d’un rectenna dans la bande des 1,8 GHz fonctionnant à faibles niveaux de puissance RF et optimisé par des techniques source-pull Jerome Tissier Mohamed Latrach........................................................................................................................ p. 112 Autonomous DC-DC Converter for RF energy Harvesting Salah Adami, Christian Vollaire, François Costa, Bruno Allard ......................................................... p. 119 LES ARTICLES REE N°5/2016 89