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INNOVATIONPOUR L’INTERNET DES OBJETS

LA RF ET LA GESTION DE L’ÉNERGIE DANS

LES OBJETS CONNECTÉS

Lionel RUDANT Responsable marketing stratégique IoT

| 2

Intégration de la RF dans les objets connectés

Challenges RF/Energie dans l’IoT

Règles de l’art, design et dimensionnement des antennes RF dans

les objets connectés

Antennes intégrées pour l’IoT

Caractéristiques radio des solutions

Qualification des réseaux sans-fil pour l’IoT

LA RF ET LA GESTION DE L’ÉNERGIE DANS LES OBJETS CONNECTÉS

SÉMINAIRE VENDREDI 6 NOVEMBRE 2015, VILLEFONTAINE

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Intégration de la RF dans les objets connectés

Challenges RF/Energie dans l’IoT

Règles de l’art, design et dimensionnement des antennes RF dans

les objets connectés

Antennes intégrées pour l’IoT

Caractéristiques radio des solutions

Qualification des réseaux sans-fil pour l’IoT

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Tous les jours de nouveaux objets connectés…

L’INTERNET DES OBJETS C’EST AUJOURD’HUI !

Pile 9V connectée Canard de bain connecté Voiture connectée à la

montre connectée

| 5

Personnes malades d’une grave insuffisance cardiaque…

• Ré-hospitalisation

• Mortalité

Un exemple en région Auvergne…

QUE PEUT-ON ATTENDRE DE L’INTERNET DES OBJETS ?!

Pr Jean Cassagneshttp://esante.gouv.fr/

Balance connectée

Plateforme santé numériqueReference Cardiauvergne

12,5%

11,8%

Jusqu’à 40%

30%

Santé

| 6

LES OBJETS CONNECTÉS AUX PLATEFORMES DE L’INTERNET

Livres

Commentaires Services

Livres inédits

Numérique

Fournisseur de plateformes

Marketing

Services

| 7

DU POINT DE VUE D’UN INSTITUT DE RECHERCHE TECHNOLOGIQUE

Le paradoxe innovation & IoT

Demain la science-fiction ?

A vendre A faire

soi-même

Quels sont les grands défis techniques ?

| 8

COMPLEXITÉ TECHNOLOGIQUE DU PRODUIT CONNECTÉ

(How smart, connected products are transforming competition, 2014)

| 10

GRANDS CHALLENGES TECHNIQUES

Technologies MEMS

Caméra intelligente

Architectures systèmes innovantes

Déployer dans l’existant

Spécifier la technologie pour le logiciel

| 11

GRANDS CHALLENGES TECHNIQUES

Technologies Ultra Low Power

Récupérations d’énergies

Fonctionnalités cross-layer

Autonomie des systèmes

Intégration des systèmes

| 12

GRANDS CHALLENGES TECHNIQUES

Architectures rapides

Systèmes sans-fil sécurisés

Méthodes de spécifications et de conception

Temps réel

Fiabilité

| 13

LES GRANDS CHALLENGES TECHNOLOGIQUES DE L’IoT

Utilité, localité, temporalité, qualité, sécurité

Nouveaux services à coûts d’opération réduits

Réseaux temps-réel et sécurisés

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Intégration de la RF dans les objets connectés

Challenges RF/Energie dans l’IoT

Règles de l’art, design et dimensionnement des antennes RF dans

les objets connectés

Antennes intégrées pour l’IoT

Caractéristiques radio des solutions

Qualification des réseaux sans-fil pour l’IoT

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60 GHz lentille discrète

Réseau transmetteur

Antenne active compacte

ISM 2,4 GHz

5 mm

2 mm

Intégration antenne/transceiver

CMOS-SOI 2 x 3.3 mm²

Antenne intégrée SoCIntégration de système

dans l’antenne

Source rayonnante

électriquement petite

| 17

CHALLENGES DE L’ANTENNE MINIATURE

TAILLE D’ANTENNE

PE

RF

OR

MA

NC

ES

D’A

NT

EN

NE

(EF

FIC

AC

ITÉ

DE

RA

YO

NN

EM

EN

T &

BA

ND

E P

AS

SA

NT

E)

Limites fondamentales de la miniaturisation d’antenne

| 18

IoT : DÉPLOIEMENT RADIO

| 19

• Bénéfices de la directivité d’antenne

Réduction des pollutions EMInterférences

Sensibilité au bruit

Complexité architecturale

Services numériques locaux• Discrétion, exclusivité

• Nouveaux usages

IoT : DÉPLOIEMENT RADIO

| 20

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

5

10

15

2r/0

Dire

ctivity (

dB

i)

SotA

Geyi limit

Harrington limit

Re-normalized limit

CHALLENGES DE L’ANTENNE MINIATURE ET DIRECTIVE

PE

RF

OR

MA

NC

ES

D’A

NT

EN

NE

DIR

EC

TIV

ITÉ

(d

Bi)

TAILLE D’ANTENNE

| 21

• Aujourd’hui, les antennes RFID : GRANDES antennes directives

De faible directivité si taille limitée : angle d’ouverture de 90° environ

De très faible directivité pour les antennes portables : gain de quelques dBi

• Applications de surveillance nécessitent des faisceaux plus étroits

• Ouverture de marchés grand public nécessite des petites antennes

IoT : NOUVEAUX USAGES

Insertion de la radio identification

dans un flux logistique

Marché grand public des applications RFIDRFID @ home

| 22

Antenne du commerce @900MHz

HPBW 43°×36°

Prototype @868MHz

HPBW 50°×46°

89cm

16 cm

| 23

MESURE EN CHAMBRE ANÉCHOÏDE

Chambre anéchoïde blindée V/UHF au CEA-Leti

| 24

Plan H Plan E

-180-150-120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

Phi (deg)

Dire

ctivity (

dB

i)

Measurement

Simulation

-180-150-120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

Theta (deg)

Dire

ctivity (

dB

i)

Measurement

Simulation

Prototype Directivité (dBi) HPBW plan H HPBW plan E

Simulation (868 MHz) 12,5 41,2° 46,7°

Mesure (880 MHz) 12,1 46,0° 55,5°

• Réseau quatre dipôles

• Taille : 0,45λ0 × 0,36λ0 (diamètre 0,57λ0)

124,4mm × 155,5mm

• Fréquence d’optimisation : 880 MHz

PROTOTYPE ANTENNE COMPACTE SUPER DIRECTIVE

| 25

• Réseau quatre dipôles

• Taille : 0,45λ0 × 0,36λ0 (diamètre 0,57λ0)

124,4mm × 155,5mm

• Fréquence d’optimisation : 880 MHz

PROTOTYPE ANTENNE COMPACTE SUPER DIRECTIVE

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

5

10

15

2r/0

Dire

ctivity (

dB

i)

Geyi limit

Harrington limit

Re-normalized limit

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Absolute value of yaw

Absolute value of pitchAbsolute value of roll

temps

Δθ

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Intégration de la RF dans les objets connectés

Challenges RF/Energie dans l’IoT

Règles de l’art, design et dimensionnement des antennes RF dans

les objets connectés

Antennes intégrées pour l’IoT

Caractéristiques radio des solutions

Qualification des réseaux sans-fil pour l’IoT

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Usine automatisée Chantier Centrale nucléaire Site minier Plateforme

Tunnel ferroviaire Barrage Hangar Elevage industriel Champ agricole

Autoroute Naval Site portuaire Parking souterrain Stade, spectacles

Domotique Ouvrage d’art Cabine d’avion Automobile Mobilité du drone

EX. ENVIRONNEMENTS SÉVÈRES

| 31

Environnements sévères

Déploiement sous contraintes

• Longue portée

• Propagation sans vue directe, obstruction

• Interférences, bande de fréquences saturée

• Mobilité, grande vitesse

• Miniaturisation des antennes

• Perturbations liées au contexte proche

• Ressources énergétiques

• Processus de déploiement

Réseaux sans-fil

Avantages opérationnels du sans-fil

• Déploiement massifs de capteurs sans-fil

• Connectivité M2M modulable

• Terminaux portatifs pour les personnels

• Télé-relève

• Traçabilité sans-contact

• Transports connectés

Offres multiples

• Réseaux cellulaires 3G/4G

• Réseaux IoT

• WiFi 802.11a/b/g

• WiFi 802.11n/ac

• BT 4.0, BT smart (Le)

• UWB 802.15.4a, ranging

• Zigbee 802.15.4, 6LoWPAN

• Wireless M-Bus 169MHz

• Radio long range 868MHz

• RFID, RFID UHF

• V2x 802.11p

• Antennes fort gain

• Antennes CMS

Problématiques ?!

Analyses et expertises

• Garantir la QoS ? Garantir les services ? SdF ?

• Choisir la solution radio ? Déployer une solution MIMO ?

• Dimensionner le réseau sans-fil ?Placer les systèmes radio ? Valider le déploiement radio ?

• Anticiper la couverture radio ? Maitriser les zones de lecture d’étiquettes RFID ?

• Assurer la mobilité grande vitesse ?

• Miniaturiser/intégrer les antennes ?

• Choisir la pile/batterie du système radio autonome ?

• Troubleshooting ?

RÉSEAUX SANS-FIL POUR APPLICATIONS CRITIQUES

| 32

Expertise canal de propagation

Réseau sans-fil

Environnements sévères émulés *Environnements sévères

* Equipement et offre de l’IRT

Un émulateur est une plateforme radio

numérique reproduisant en temps réel les effets

perturbants de la propagation sur les

communications sans-fil.

Emulateur PropSim F8 Elektrobit/Anite

Gamme de fréquence 220MHz-6GHz

Bande passante instantanée jusqu’à 125MHz

MIMO 4×4 full duplex, jusqu’à 8 voies MIMO

Introduction de sources de bruit et

d’interférents

Des modèles industriels standardisés

Des modèles spécifiquement développés pour une application

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ENVIRONNEMENTS SÉVÈRES RÉALISTES

Caractérisation

Modélisation

Emulation *

* Equipement et offre de l’IRT

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ENVIRONNEMENT

CENTRALE

NUCLÉAIRE

Environnement de propagation dans la centrale de

Nogent-sur-Seine (BAS, BAN, BR)

• Vue directe

(Bâtiment auxiliaire sauvegarde)

• Vue obstruée par mur béton armé

(Bâtiment auxiliaire sauvegarde)

• Vue obstruée par mur béton armé

(Bâtiment auxiliaire sauvegarde-BAN)

• Vue obstruée inter-étages

(Bâtiment auxiliaire sauvegarde)

Modélisation de l’environnement

• Bande de fréquence 2,4GHz et 868MHz

• Scénarios Line of Sight (LoS), Non Line of Sight (NLOS) et

strong Non Line of Sight (NLOS²) (obstruction mur béton,

transmission inter-niveau etc.)

• Modélisation interférences inter-trajets

• Structure multi-antennes (MIMO)

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PERSONNELS

CONNECTÉS

Tests d’équipements connectés pour le travailleur• Bande de fréquence 2,4GHz et 5GHz

Connectivité sans-fil on-body• Sept individus

• Immobile, course, marche

• Environnements indoor et anéchoïde

• Différentes configurations d’antenne

Connectivité sans-fil off-body• Marche en vue directe

• Marche en vue obstruée par le corps

• Rotation du sujet

• Différentes configurations d’antenne

Connectivité sans-fil body-to-body• Marches opposées

• Marches parallèles

• Marche d’un individu

• Rotation d’un individu

• Différentes configurations d’antenne

| 36

Tx

Rx

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

log10

(d/d0)

PL [

dB

]

TX 4(V) RX(V)

Measured

Mean PL

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-70

-65

-60

-55

-50

-45

PL [

dB

]

log10

(d/d0)

TX 1(V) RX (V)

Measured

Mean PL

868 – 870 MHz2.6 – 5.35 GHz

ENVIRONNEMENT CABINE D’AVION

Déploiement radio dans la cabine

Atténuation du signal…

Etalement temporel du signal…

| 37

EVALUATION DES MOBILITÉS ÉMERGENTES

Véhicule autonome Next-two présenté par Renault

(plateforme Zoé)

| 38

MODÈLES STANDARDISÉS V2X

3

8

Rural LOS:Intended primarily as a reference result, this

channel applies in very open environments where

other vehicles, buildings and large fences are

absent.

Urban Approaching LOS:Two vehicles approaching each other in an Urban

setting with buildings nearby.

| 39

MODÈLES STANDARDISÉS V2X

3

9

Street Crossing NLOS:Two vehicles approaching an Urban blind

intersection with other traffic present.

Buildings/fences present on all corners.

Highway LOS:Two cars following each other on Multilane inter-

region roadways such as Autobahns. Signs,

overpasses, hill-sides and other traffic present.

Highway NLOS:As for Highway LOS but with occluding trucks

present between the vehicles.

| 40

-110 -100 -90 -80 -70 -600

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Classical channel - maxThroughput - Packet Error Rate (PER)

Channel Gain [dB]

PE

R

-110 -100 -90 -80 -70 -60 -500

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Flat channel - maxThroughput - Packet Error Rate (PER)

Channel Gain [dB]

PE

R

Environnement idéal Environnement réaliste + mobilité

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-110 -100 -90 -80 -70 -600

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Classical channel - maxThroughput - Packet Error Rate (PER)

Channel Gain [dB]

PE

R

-110 -100 -90 -80 -70 -60 -500

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Flat channel - maxThroughput - Packet Error Rate (PER)

Channel Gain [dB]

PE

R

Environnement idéal Environnement réaliste + mobilité

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Intégration de la RF dans les objets connectés

Challenges RF/Energie dans l’IoT

Règles de l’art, design et dimensionnement des antennes RF dans

les objets connectés

Antennes intégrées pour l’IoT

Caractéristiques radio des solutions

Qualification des réseaux sans-fil pour l’IoT

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STRATÉGIE D’INNOVATION DANS L’IoT

COTS

* Equipement et offre de l’IRT

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YOUR ATTENTION!