Récepteur de type “wake-up” radio à identification par empreinte fréquentielle

21/12/2016
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Récepteur de type “wake-up” radio à identification par empreinte fréquentielle

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REE N°5/2016 105 URSI FRANCE 2016 DOSSIER 2 Récepteur de type “wake-up” radio Par Régis Rousseau, Florin Hutu et Guillaume Villemaud Université de Lyon, INSA de Lyon, Inria, laboratoire CITI Introduction On parle souvent de l’Internet des objets (IdO) comme de la révolution industrielle du début du XXIe siècle, révolu- tion qui va changer la façon dont les personnes vont interagir avec le monde réel. Une multitude d’objets connectés sera déployée dans les années à venir pour accroitre notamment notre qualité de vie et notre productivité. Plusieurs agences prédisent une évolution spectaculaire de l’Internet des objets. Par exemple, l’agence Morgan Stanley prévoit environ 75 mil- liards d’objets connectés d’ici 2020 et l’Agence Internationale de l’énergie indique une multiplication par huit du nombre d’objets communicants pour arriver à 100 milliards d’ici 2030, avec une consommation qui aura doublé [1]. Avec l’augmentation exponentielle du nombre de ces objets connectés, plusieurs défis majeurs voient le jour, tels que la capacité de stockage et de traitement des données qui en découle, la capacité du matériel à se reconfigurer pour s’adapter à de nouveaux standards de communication ainsi que la sécurité des données véhiculées. On pourrait imaginer que, dans quelques années, chaque objet de la vie courante échange une certaine quantité d’informations à travers une liaison radio, informations qui dans la plupart des cas seront transmises de manière sporadique. La grande majorité des scénarios se base sur des objets communicants avec de faibles ressources énergétiques, alimentés soit par des batte- ries soit en utilisant l’énergie ambiante collectée localement. De plus, certains scénarios impliquent le déploiement d’un très grand nombre d’objets communicants dans des endroits très peu accessibles (par exemple, les capteurs enfouis dans l’asphalte pour remonter des informations sur l’état de la route), ce qui rend l’intervention humaine quasi impossible. Tout ceci fait que le défi principal est au final plus en amont, car dans ce contexte il s’agit avant tout de déterminer et d’inventer de nouvelles approches pour réduire l’empreinte énergétique de ce type d’objets. A chaque niveau, des stratégies pour optimiser l’énergie consommée par les objets communicants sont proposées. Au niveau du “front-end” radio, les efforts se concentrent sur l’optimisation du rendement de l’amplificateur de puissance [3], qui est le bloc fonctionnel le plus gourmand en énergie. A un niveau plus macroscopique, des stratégies pour éteindre complètement le front-end radio pendant les périodes d’inactivité sont mises en place. Des architectures matérielles et logicielles économes en énergie, comme par exemple Low Power Aware Processing (LEAP), sont également proposées dans la littérature scientifique. Ces architectures permettent de surveiller la consommation énergétique et de planifier les dépenses énergétiques de chaque partie de l’objet commu- nicant en fonction des ressources restantes. A plus gros grain encore, des protocoles d’accès au medium sont imaginés afin d’optimiser la consommation d’énergie du réseau. Depuis bien longtemps, il est communément admis que la communication radiofréquence est une part importante dans le budget énergétique global d’un objet communicant et qu’une grande partie de cette consommation est gaspillée pendant les périodes d’écoute du canal de communication. Dès lors, il apparaît crucial de pouvoir éteindre l’interface radio quand elle n’est pas utilisée. Une alternative à la tech- nique de réveil synchrone de l'interface radio (réveil par inter- mittences régulières), couramment employée actuellement, est d’utiliser un récepteur radio auxiliaire (technique dite de “wake-up radio”) qui écoute en permanence le canal de communication mais à un coût énergétique bien inférieur comparé au récepteur principal. Ce récepteur auxiliaire prend The Internet of Things (IoT) is described as the industrial revolution of the early 21th century. Innumerable commu- nicating objects will be deployed in the coming years and one of the consequences will be the exponential growth of the IoT energy footprint. The use of ultra-low energy radio receivers (wake-up radios) is one of the envisaged solutions to reduce the energy consumption. By using such kind of receivers, the radio transceiver which consumes the most greedy part of energy of communicating objects, will be power supplied only during the active periods. In the scientific literature, the use of on-off keying (OOK) modulation together with envelope detector based radio part and a microcontroller unit is highlighted for the wake-up radios. The authors of this paper proposed an original approach consisting in a quasi-passive wake-up radio where the identification is done by the means of passive filters and the use of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) signal. This approach is validated through measurements on a functional prototype and, in this paper, the receiver sensitivity and the communication range are given. ABSTRACT URSI FRANCE 2016DOSSIER 2 106 REE N°5/2016 la décision de réveiller la radio principale uniquement à la dé- tection d’un message qui lui est destiné. En plus de la faible consommation, comparée aux approches classiques, l’utili- sation de la “wake-up radio” permet de diminuer le temps de latence dans la transmission de données (par rapport au réveil synchrone). Dans ce cadre, l’objectif principal de cet article est de pré- senter une approche innovante de récepteur “wake-up radio” qui permet de réduire davantage la consommation énergé- tique et le temps de latence, en remplaçant l’identification, habituellement faite grâce à un système numérique à micro- contrôleur, par un circuit analogique passif ou quasi-passif. Cette approche, qui a déjà été présentée par les auteurs ([8], [11]), est validée à travers un démonstrateur fonctionnel. L’influence de différentes imprécisions des divers blocs fonc- tionnels sur les performances du récepteur présenté ici sont également mises en évidence. Etat de l’art des récepteurs de type “wake-up radio” Il y a plusieurs types de récepteurs “wake-up radio”, depuis de simples circuits qui sont capables de détecter la présence d’une certaine quantité d’énergie dans une bande de fréquence, jusqu’à des structures plus complexes qui contiennent des circuits capables de corréler l’information reçue avec celle contenue dans une mémoire interne pour prendre la décision d’activer le front-end principal. Les pre- miers peuvent être entièrement passifs mais provoquent de nombreux faux réveils alors que les seconds incluent une importante partie active, donc plus énergivore. Généralement, il y a quatre critères qui déterminent la per- formance d’un récepteur “wake-up radio” : l’énergie consom- mée, la sensibilité, la latence et la robustesse en termes de nombre de faux réveils. La puissance consommée est très dépendante de la sensibilité du récepteur : une bonne sen- sibilité est obtenue au détriment d’une consommation ac- crue. Comme montré dans [10], avec des consommations de l’ordre du milliwatt, des sensibilités de l’ordre de -100 dBm peuvent être atteintes. Au contraire, une puissance de 100 nW permet d’obtenir une sensibilité d’environ seule- ment -45 dBm. Le débit de données est un autre critère qui influence l’énergie consommée. Pour le même intervalle de variation de la puissance consommée, des débits allant de quelques centaines de bits par seconde jusqu’à quelque cen- taines de kilobits par seconde sont annoncés dans la littéra- ture, [5], [6], [7], [8], etc. La grande majorité des récepteurs “wake-up radio” uti- lisent la modulation de type OOK (on-off keying),en raison de la simplicité du démodulateur qui peut être un simple dé- tecteur d’enveloppe à base de diode. Dans [9] la modulation à largeur d’impulsion (MLI) est proposée pour la transmission de l’identifiant tandis que dans [10], c'est une combinaison entre la modulation OOK et la MLI qui est proposée. Le tableau 1 présente quelques exemples des travaux actuels mettant en évidence leurs performances respectives. Un récepteur “wake-up radio” quasi passif Comme le montre l’état de l’art, majoritairement, pour ce type de récepteur, l’adresse est transmise sous la forme d’une trame binaire qui module en OOK (on-off keying) la porteuse. A la réception, après démodulation, un microcon- trôleur à faible consommation énergétique est utilisé pour décoder la trame reçue et prendre la décision de réveiller ou pas le récepteur principal. L’utilisation du microcontrôleur engendre à la fois une consommation énergétique supplé- mentaire et des temps de latence non négligeables. Afin de contourner ce problème, le récepteur de type “wake-up radio” proposé par les auteurs se base sur l’adressage de l’interface radio à réveiller à travers une empreinte fréquen- tielle. Le décodage et la prise de décision sont réalisés par une architecture qui contient des composants analogiques majoritairement passifs. L’empreinte fréquentielle est formée à partir d’un signal de type OFDM et est unique pour chaque objet du réseau. Cette empreinte fréquentielle est émise par le puits de col- lecte (ou la passerelle) qui est censé avoir la puissance de calcul et l’énergie nécessaire pour émettre ce type de signal. Plus précisément, l’empreinte fréquentielle est formée en Tableau 1 : Performances comparées de quelques récepteurs "wake up" radio. Référence Puissance DC Sensibilité Temps de latence Débit Modulation Fréquence [6] 1.2 µW 116 µW -53 dBm -45 dBm 250 µs 250 µs 1 Mbit/s 1 kbit/s OOK OOK 868 MHz 2.4 GHz [7] 6.9 µW -80 dBm 30 ms 1 kbit/s OOK 2.4 GHz [7] 40.9 µW -78 dBm - 0.5-4 kbit/s OOK 868 MHz [8] 45 µW -62 dBm 102 µs 312 kbit/s FSK 2,4 GHz REE N°5/2016 107 Récepteur de type “wake-up” radio à identification par empreinte fréquentielle transmettant ou non des données aléatoires sur un groupe de sous-porteuses du signal OFDM. La transmission de don- nées est codée par un 1 logique et la non transmission par un 0 logique. Pour des contraintes matérielles, notamment liées au facteur de qualité des filtres utilisés par la suite, le nombre total des sous-porteuses du signal OFDM a été divi- sé en quatre groupes (I1 I2 I3 I4 ), formant ainsi 14 identifiants possibles. Comme expliqué en [3], parmi ces 14 identifiants, uniquement 6 d’entre eux sont viables en pratique. Comme il peut être remarqué sur la figure 1, le signal reçu par l’antenne est divisé en deux parties égales de puissance et appliqué à deux bancs de filtres. Le filtre sur la voie directe (D1 D2 D3 D4 ) a le gabarit fréquentiel identique à l’identifiant et celui présent sur la voie complémentaire (C1 C2 C3 C4 ), l’opposé de celui présent sur la voie directe. Deux niveaux de tension continue sont obtenus en sortie de deux détecteurs de puissance placés en sortie des filtres directs et complé- mentaires. Ces tensions sont soustraites l’une de l’autre et le résultat est comparé à une tension de seuil, grâce à un trigger (ou bascule) de Schmidt. Si l’identifiant est reçu, la tension en sortie du trigger bascule à l’état haut, ce qui permet l’allu- mage du front-end principal. La complémentarité des deux filtres permet de s’affranchir des réveils intempestifs déclen- chés par des signaux à la même fréquence susceptibles d’être présents dans la bande. La sensibilité du récepteur est principalement donnée par celle des deux détecteurs de puissance qui sont des struc- tures passives à diode et qui, avec la technologie actuelle, reste autour de -50 dBm. En pratique, cette sensibilité sera dégradée par le déséquilibre entre les caractéristiques des composants présents sur les deux voies, directe et complé- mentaire. Avec cette sensibilité, des applications comme WBAN (Wireless Body Area Networks), où la distance de communication est de l’ordre du mètre, peuvent être cou- vertes [11] sans difficulté. D’autres applications demandant des distances de communication plus grandes pourront être envisagées. Dans ce cas de figure, il peut être imaginé le rajout d’un étage d’amplification entre l’antenne et le divi- seur de puissance qui permettra d’augmenter la sensibilité au détriment de la consommation énergétique. Les bancs de filtres sur la voie directe et la voie com- plémentaire sont implémentés avec des filtres passe-bande avec une bande à -3 dB égale à la bande de l’identifiant divi- sée par le nombre de sous-bandes envisagé. Pour l’exemple présenté sur la figure 2, un facteur de qualité de 480 doit être assuré, ce qui est difficilement implantable avec les technologies actuelles. Des solutions pour diminuer cette contrainte en réduisant la fréquence porteuse ou en aug- mentant la bande passante de l’identifiant peuvent être mises en place. Figure 1 : Architecture du récepteur WuRx quasi passif. Figure 2 : Exemple de l’identifiant 1011. L’identifiant I1 =1 I2 =0 I3 =1 I4 =1 est présenté ici où l’on peut observer la présence d’un certain niveau de puissance supérieur au plancher du bruit dans les sous bandes associées au groupes I1 , I3 et I4 . Ce signal est généré en modifiant un émetteur 802.11g dans la bande à 2,4 GHz et avec une largeur de canal de 20 MHz. URSI FRANCE 2016DOSSIER 2 108 REE N°5/2016 Validation expérimentale de l’approche Un démonstrateur expérimental a été conçu afin de vali- der ce principe et, pour s’affranchir du problème du facteur de qualité élevé des filtres et du coût de fabrication, la fré- quence porteuse a été réduite à 915 MHz et la bande pas- sante doublée à 40 MHz. Des diviseurs de puissance -3 dB avec des pertes d’insertion inférieures à 1 dB ont été utilisés. Le prototype représenté sur la figure 3 a été réalisé pour l’identifiant 1100 et, comme l’on peut remarquer sur la fi- gure 4, le filtre sur la voie directe a une bande à -3 dB com- prise entre 895 et 915 MHz ce qui code D1 =1 D2 =1 D3 =0 D4 =0. Le filtre sur la voie complémentaire a une bande à -3 dB de 915 MHz jusqu’à 935 MHz, ce qui code C1 =0 C2 =0 C3 =1 C4 =1. Les deux filtres sont des filtres à cavité avec des pertes d’insertion inférieures à 1 dB. L’antenne utilisée en réception est omnidirectionnelle, avec un gain de 2 dBi. Comme détecteurs de puissance, des cartes d’évaluation AD8362 ont été utilisées. Ce détecteur de puissance a une sensibilité de -52 dBm et une plage dyna- mique supérieure à 65 dB. Le soustracteur a été réalisé en utilisant l’amplificateur opérationnel ISL28194. Cette référence a été choisie pour son faible courant d’alimentation (330 nA) et son faible plancher de bruit, la densité de bruit étant de 265 . Comme trigger de Schmidt, le TS881 de STMicroelectronics, avec un courant d’alimentation de 210 nA, a été utilisé. L’identifiant 1100 est généré à l’aide d’un générateur de signaux vectoriel ESG4438C dont la sortie est connec- tée à une antenne cornet avec 8 dBi de gain. Le niveau de puissance est choisi en tenant compte du gain de l’antenne de façon à obtenir une puissance isotrope rayonnée équi- valente (PIRE) égale à 20 dBm. Bien évidemment, la por- tée de transmission varie en fonction de l’environnement. Ainsi, dans un environnement indoor, la portée est de l’ordre de 6 m et dans un couloir cette portée peut aller jusqu’à 19 m. Les mesures réalisées dans le couloir ont montré que la présence ou non d’un obstacle sur le trajet change consi- dérablement le fonctionnement du prototype. De plus, en testant plusieurs identifiants, il a été remarqué le fait que la présence d’un obstacle pouvait conduire à la génération Figure 3 Prototype réalisé pour valider le récepteur “wake-up radio” quasi-passif. Figure 4 : Gabarit fréquentiel des filtres sur la voie directe et la voie complémentaire. REE N°5/2016 109 Récepteur de type “wake-up” radio à identification par empreinte fréquentielle d’un signal de wake-up pour un autre identifiant que celui du prototype. Par exemple, dans le cas de l’identifiant 1111, la présence d’un obstacle entre les deux antennes a tendance dans certaines conditions à atténuer les fréquences les plus élevées. Ainsi, le niveau de puissance reçue dans la bande 895-915 MHz est plus important que celui dans la bande 915-935 MHz, ce qui peut amener le prototype à générer un signal de réveil. L’identifiant 1100 reçu à une distance de 5 m entre l’antenne d’émission et celle de réception est présenté sur la figure 5. Les tensions en sortie du soustracteur en fonction de la puissance du signal en entrée et pour différents identifiants sont représentées sur la figure 6. A partir de ces courbes, la tension de seuil du trigger de Schmidt a été choisie de manière empirique. En effet, pour tout identifiant viable reçu (autre que 1100), la tension en sortie du soustracteur reste inférieure à 2 V ce qui impose la tension de seuil à 2 V. Comme il peut être remarqué, la puissance minimale de l’identifiant qui donne une tension en sortie du soustracteur supérieure à la tension de seuil est d’environ -43 dBm. Ce niveau de puissance caractérise la sensibilité du récepteur. Sur la figure 7 on observe que c'est seulement à partir d'un niveau de puissance supérieur au niveau de sensibilité du récepteur du signal correspondant à l'identifiant que la tension en sortie du trigger devient différente de zéro, ce qui permettra par la suite l’activation du front-end principal. Figure 5 : L’identifiant 1100 reçu à 5 mètres de l’antenne d’émission. Figure 6 : Tension en sortie du soustracteur pour différents identifiants et différents niveaux de puissance. Figure 7 : La tension en sortie du trigger pour deux identifiants reçus à différents niveaux de puissance. URSI FRANCE 2016DOSSIER 2 110 REE N°5/2016 Conclusion et perspectives Cet article est consacré à la présentation d’une tech- nique visant à réduire la consommation énergétique d’ob- jets communicants. Cette technique se base sur l’utilisation d’un récepteur radio très faible consommation, appelé “wake-up radio”. Une approche particulière qui consiste à utiliser une empreinte fréquentielle pour transmettre l’iden- tifiant du nœud à réveiller a été présentée ici. Un démons- trateur expérimental a été réalisé et a permis à la fois de valider l’approche et de mettre en évidence l’impact du caractère non idéal de différents blocs fonctionnels sur les performances globales du récepteur. Avec la technologie actuelle, le nombre d’identifiants à adresser reste faible et des études complémentaires sur l’utilisation des signaux de type OFDM intermittents sont en cours. Proposer un récep- teur de type wake-up radio à zéro consommation énergé- tique en état de veille tout en gardant des performances acceptables en termes de sensibilité, temps de latence et robustesse, est la perspective la plus importante du travail présenté. Des techniques de récupération d’énergie radio qui permettront d’alimenter les parties actives du récepteur proposé ici sont actuellement à l’étude. Bibliographie [1] More Data, Less Energy: Making Network Standby More Efficient in Billions of Connected Devices, Agence internationale de l’énergie, 2014. [2] D. Sardin & al., X-band 10 W MMIC High-Gain Power Amplifier with up to 60 % PAE; IEEE EuMC conference, October 2014. [3] F. Hutu & al., A new wake-up radio architecture for wireless sensor networks, EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking 2014. [4] F. Hutu & al, Experimental validation of a wake-up radio architecture, IEEE Radio and Wireless Symposium (RWS), Austin, TX, USA, 2016, pp. 155-158. [5] J. Blanckenstein, & al., A Survey of Low-Power Transceivers and Their Applications, in IEEE Circuits and Systems Magazine, vol. 15, no . 3, pp. 6-17. [6] M. Durante & al, An ultra-low power Wakeup Receiver for Wireless Sensor Networks, Third International Conference on Sensor Technologies and Applications, 2009. [7] P. G. 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Son sujet de recherche porte sur les problématiques de réduction de la consommation énergétique des objets communicants et plus particulièrement sur les stratégies de récupération d’énergie électromagnétique ambiante. Florin Hutu est maître de conférences au département Génie électrique de l’INSA de Lyon et membre de l’équipe Socrate du laboratoire CITI (Centre d’Innovation en Télé- communications et Intégration de services). En 2007, il a reçu le grade de docteur de l’université de Poitiers sur un sujet qui traite de la synchronisation de réseaux d’oscilla- teurs couplés. Après un séjour post-doctoral au sein de l’équipe « Electronique avancée pour les radiocommunica- tions » du laboratoire Xlim-SIC, site d’Angoulême, en sep- tembre 2010 il a rejoint le laboratoire CITI dans l’objectif de développer des activités de recherche autour de la partie analogique des front-ends radio et de la réduction de la consommation énergétique des communications radio dans le contexte de l’internet des objets. Il est le coauteur de huit articles publiés dans des journaux internationaux et il a contribué à 18 conférences internationales et 10 conférences nationales. Guillaume Villemaud est maître de conférences HDR au département Génie électrique de l’INSA de Lyon, membre de l’équipe Socrate du laboratoire CITI et directeur adjoint du laboratoire. Ses travaux de recherche se focalisent sur la conception et l’intégration des antennes et le traitement des signaux d’antenne multiples (SIMO, MIMO). Il mène également des travaux des recherche sur les architectures de front end radio et notamment des architectures de type full duplex. Il a été récemment le coordinateur local du projet FP7 iPlan en charge du déploiement et de la planifi- cation des réseaux de type Femtocell. Il est le responsable de l’axe “Front-end radio flexible” de l’équipe Inria Socrate et impliqué dans le développement de la plate-forme d’ex- périmentation Cortexlab, partie intégrante de l’Equipex FIT (Future Internet of Things). Il a publié plus d’une centaine d’articles scientifiques et il est “Senior member” IEEE et éditeur associé aux Annales des Télécommunications. REE N°5/2016 111 Récepteur de type “wake-up” radio à identification par empreinte fréquentielle for Wireless Sensor Networks,” 2008 IEEE International Conference on Wireless and Mobile Computing, Networking and Communications, Avignon, 2008, pp. 13-18. [10] S. J. Marinkovic & al., “Nano-Power Wireless Wake-Up Receiver With Serial Peripheral Interface,” in IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 29, no . 8, pp. 1641-1647, September 2011. [11] S. van Roy & al., “Dynamic Channel Modeling for Multi- Sensor Body Area Networks,” in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 61, no . 4, pp. 2200-2208, April 2013.doi: 10.1109/TAP.2012.2231917