Olivier BERDER IRISA/ENSSAT 6 rue de kerampont - 22300 LANNION Tél.: 02 96 46 91 70

1. Projet CAPTIVConsommation et strAtégies cooPératives pour les Transmissions entre Infrastructure et Véhicules Olivier BERDER IRISA/ENSSAT 6 rue de kerampont - 22300 LANNION Tél.: 02 96 46 91 70 Fax.: 02 96 46 90 75 e-mail: oberder@irisa.fr www: http://www.irisa.fr Atelier Réseaux de capteurs

2. Contexte • Sécurisation des usagers de la route • Gestion de la fluidité du trafic • Emergence de nouveaux services • Solutions innovantes de communications radio-mobiles entre les véhicules et l’infrastructure • Réseaux de capteurs Atelier Réseaux de capteurs

3. Agenda • Enjeux et objectifs du projet CAPTIV • Choix technologiques • Conception d’antennes et caractérisation du canal de propagation • Simulateur • Conclusions Atelier Réseaux de capteurs

4. CAPTIV : objectifs • Transmission d’informations vers les véhicules (ou depuis les véhicules) • À travers un réseau ad-hoc (dense) • Panneaux de signalisation communicants, capteurs divers (GPS, image, comptage, …), infrastructures (GSM, UMTS, …), véhicules, cyclistes, piétons • Débit faible à moyen (jusqu’à qq 10kbits/s) • Autonomie énergétique et faible coût • Milieux hétérogènes (urbain, semi-urbain, campagne…) Atelier Réseaux de capteurs

5. Optimisation de l’énergie par bit utile transmis dans le réseau Techniques de transmission coopératives et de traitement du signal Architecture électronique faible énergie Antennes Expérimentations et mesures de canal CAPTIV : solutions Atelier Réseaux de capteurs

6. Verrous scientifiques et techniques • Composants électroniques et antennes optimisés en efficacité énergétique • Reconfiguration, faible énergie, veille, … • Communications coopératives • Réseau ad-hoc hétérogène (sans infrastructure) • Densité hétérogène des nœuds • Routage, gestion de l’énergie • Transmissions multi-antennes Atelier Réseaux de capteurs

7. Partenaires • Laboratoires de recherche • Soutiens financiers et collectivités • Partenaires académiques Atelier Réseaux de capteurs

8. Applications potentielles • Informations liées à la sécurité • Authentification de la signalisation • e.g. passages piétons, deux-roues, ralentisseurs, vitesse, feux • Détection de situations anormales • Densité, fluidité du trafic • Régulation de vitesse • Services • Signalisation active • Parkings, transports en commun, … • Géolocalisation • … Atelier Réseaux de capteurs

9. Reconnaissance de signalisation • Restitution • Affichage sur tableau de bord • Synthèse vocale • Signalisation dynamique • Travaux • Bouchons Atelier Réseaux de capteurs

10. Traversée / franchissement 34% Tourne à gauche en insertion 21% Tourne à gauche coupant le flux opposé 12% Tourne à droite 2% Collision frontale 7% Collision arrière 14% Autres 10% Exemple d’application : accidentologie en intersection Données BAAC 2003 / ville et rase campagne confondues • Source : Page and Chauvel, 2004 Atelier Réseaux de capteurs

11. Site expérimental : intersection de Goudelin, RD9/ RD67 • Manque de visibilité des usagers venant de voie prioritaire par les usagers venant de la voie secondaire • Trafic moyen journalier (données 2005) • RD 9 entre Guingamp et Lanvollon • 6000 véhicules/ jour • RD 67 entre Goudelin et Gommenech • 1000 véhicules/ jour Atelier Réseaux de capteurs

12. Détection de contresens • Estimation de direction • Détection de l’anomalie • Avertissement aux voitures proches • Propagation de l’information vers un central contresens Atelier Réseaux de capteurs

13. Agenda • Enjeux et objectifs du projet CAPTIV • Choix technologiques • Conception d’antennes et caractérisation du canal de propagation • Simulateur • Conclusions Atelier Réseaux de capteurs

14. Cahier des charges • Paramètres et indicateurs pertinents pour le démonstrateur • Consommation < 100mw • Portée de 100m minimum • Mobilité de 100km/h • Nomadisme • Réactivité de 100 ms maximum • Coût faible • Débit >10kbit/s • Densité d’utilisateurs >10 • Disponibilité • Maturité industrielle • Facilité de développement • Licence d’utilisation • Encombrement physique Atelier Réseaux de capteurs

15. Débit 1 Gbit/s 100Mbit/s 10 Mbit/s 10 Mbit/s 1 Mbit/s 100 kbit/s 10 kbit/s 802.15.3a UWB HR 802.11.a/g/n Hyperlan 802.16e WIMAX 802.11.b WiFi 802.15.1 Bluetooth 802.15.4a UWB LR DSRC RFID 802.15.4 ZigBee 0 10m 100m Portée Technologies disponibles Atelier Réseaux de capteurs

16. Caractérisation du standard IEEE 802.15.4/ZigBee • Mesures effectuées avec une plate-forme Silabs 2.4 DK • Portée en utilisation fixe 190 m • Distance d’accrochage en mobilité : (180 m, 50 km/h), (150 m-100 km/h) • Bon fonctionnement en mobilité mais effet de la réactivité • Réactivité : temps(connexion + première trame) = 587 ms • Débit pour deux longueurs de trame : (5 o, 8,8 kbit/s), (94 o, 94 kbit/s) • Consommation 55 mA • Test en charge avec 10 modules • La réactivité et le débit non conformes aux besoins • utilisation de la couche physique IEEE 802.15.4 avec un protocole plus réactif Atelier Réseaux de capteurs

17. Plate-forme électronique et radio • Solution SiLabs (Télécom Bretagne, IETR) • Microcontrôleur 8051, HF CC2420 • Pile de protocole Zigbee • Bon marché, facile à prendre en main, mais très peu ouvert • Solution Softbaugh (IRISA/ENSSAT) • Microcontrôleur MSP430, HF CC2420 • Plate-forme ouverte • Pile Zigbee/802.15.4 en option • Protocole propriétaire (IRISA/ENSSAT) • Réduction énergie et taille de code • Nouvelle plate-forme en cours de fabrication Atelier Réseaux de capteurs

18. Système distribué à transmission coopérative Techniques « multi-antennes » entre nœuds du réseau Communications coopératives Atelier Réseaux de capteurs

19. dm<<d dm = 1..10 m d Nr transmissionMIMO dm Nt Technique MIMO coopérative • Trois phases de communications MIMO coopératives • Phase 1: Echange de données local • Phase 2: Transmission MIMO coopérative • Phase 3: Réception coopérative S D Atelier Réseaux de capteurs

20. Consommation énergétique du MIMO coopératif • Le MIMO coopératif est plus efficace énergétiquement que le SISO et le multi-sauts pour des transmissions à longue distance [VTC07, GRETSI07, IRAMUS07, VTC08, ICC08] Atelier Réseaux de capteurs

21. Agenda • Objectifs du projet CAPTIV • Choix technologiques • Conception d’antennes et caractérisation du canal de propagation • Simulateur • Conclusions Atelier Réseaux de capteurs

22. Matériau transparent & conducteur • Application : antenne à 2,45 GHz • monocouche d’ITO (oxyde d’indium dopé à l’étain) matériau transparent et conducteur Film ITO (0,68 µm) sur verre Corning Détail gravure transparent : 71% < %T < 88% conducteur : R = r/e = 11,1 / (F = 1 J/cm2) Atelier Réseaux de capteurs

23. 1 2 Simulation : antenne monopole losange x’ z’ y’ • Diagrammes de rayonnement à 2,45 GHz Accès 2 Accès 1 Alimentation via un coupleur 3dB/90° Accès 1 Atelier Réseaux de capteurs

24. Antennes + coupleur • Réseau d’antennes monopole losange + coupleur Atelier Réseaux de capteurs

25. Canal de propagation • Objectif • Liaison fiable sur au moins 100 m • Emission : 2,45 GHz, 10 dBm • Système de mesure • Emetteur placé dans un véhicule (1 antenne omni sur le toit) • 2 récepteurs synchronisés placés sur les panneaux de signalisation • Prototype d’antennes • 2 réseaux de 2 patchs alimentés par un diviseur de Wilkinson • Ouverture à -3 dB de 80° dans le plan H • Ouverture à -3 dB de 45° dans le plan V • Gain de 8,4 dB à 2,45 GHz Atelier Réseaux de capteurs

26. Résultats de mesure Evanouissements non corrélés  Utilisation de la diversité d’antennes Atelier Réseaux de capteurs

27. Agenda • Objectifs du projet CAPTIV • Choix technologiques • Conception d’antennes et caractérisation du canal de propagation • Simulateur • Conclusions Atelier Réseaux de capteurs

28. Intérêts de l’environnement de simulation • Conception sans contraintes matérielles • Validation du code embarqué • Création d’un réseau avec un nombre important de nœuds (fixes et mobiles) • Immersion du conducteur dans un environnement virtuel réaliste • Création de scénarii paramétrables (conditions climatiques, intensité du trafic) • Intégration de l’utilisateur final dans l’élaboration des différents services Atelier Réseaux de capteurs

29. Caractéristiques de l’environnement de simulation • Modèle de propagation radioélectrique • Co-simulation avec le logiciel de simulation de conduite EF-X ECA-FAROS • Compatibilité avec le protocole de communication développé à l’IRISA EF-X version light EF-X version intégrale Atelier Réseaux de capteurs

30. Conclusions • Projet Captiv • avril 2006 - mars 2009 • coûts additionnels (Région Bretagne, CG22) • Démonstrateur radio • Simple à déployer, faible coût, faible énergie • Intégration dans un simulateur de conduite • Performance des antennes et des transmissions coopératives Atelier Réseaux de capteurs

31. IHM du démonstrateur Atelier Réseaux de capteurs

32. Perspectives • Carrefours à équiper • Route du futur, vehipole • Fiabilisation du protocole de communication • Optimisation de l’efficacité énergétique • Conception d’antennes • Algorithmes multi-antennes • Ergonomie de l’IHM • Autres applications • Partenaires industriels • Appel à projets ANR (ex PREDIT) Atelier Réseaux de capteurs

33. Partenaires • Laboratoires de recherche • Soutiens financiers et collectivités • Partenaires académiques Atelier Réseaux de capteurs

34. Participants • IETR • Ratiba Benzerga • Xavier Castel • Mohammed Himdi • Ghaïs El Zein • Yvan Kokar • Gheorge Zaharia • LRPC • Sophie Jégou • Vehipole • Philippe Cosquer • INRIA (projet CAIRN) • Olivier Berder • Olivier Sentieys • Philippe Quémerais • Jérôme Astier • Tuan Duc Nguyen • Michel Bernard • Telecom Bretagne • Gerald Le Mestre • Jacky Ménard • Yvon Le Roux Atelier Réseaux de capteurs