Contribution à la conception d'émetteur-récepteur pour microcapteurs autonomes

Guillaume Terrasson

Description

Sous la direction de Skandar Basrour, Renaud Briand
Thèse soutenue le 24 novembre 2008: Bordeaux 1
L’étude des réseaux de microcapteurs sans fil met clairement en évidence la contrainte principale de l’autonomie en énergie. En effet, ces microcomposants autonomes et communicants appelés aussi nœuds du réseau sont dispersés dans des lieux parfois peu ou pas accessibles. L’objectif de notre travail est de proposer une méthode de conception d’un émetteur-récepteur adapté à ce type de réseaux. Partant d’une modélisation au niveau système mettant en relief la part prépondérante du module radiofréquence sur la consommation moyenne d’un nœud, nous avons développé trois nouveaux outils de conception correspondant à différents niveaux de modélisation de la chaine de communication. Leur utilisation conjointe et les résultats de simulations obtenus nous offrent la possibilité de mettre en relation les spécifications et les performances d’un module radiofréquence avec la consommation. L’association de ces outils dans une méthode de conception itérative nous a permis de dimensionner une chaine de communication en fonction d’une contrainte de consommation. Finalement, nous avons conçu, fabriqué et testé, un amplificateur faible bruit (LNA ou Low Noise Amplifier) à 868 MHz qui présente des caractéristiques très intéressantes en termes de consommation.
-Réseaux de microcapteurs
-Approche système
-Autonomie
-Conception et optimisation sous contrainte de consommation
Survey on wireless microsensor networks highlights the main constraint of energy autonomy. In fact, these autonomous and communicating microcomponents named network nodes are scattered into few or not open environment. The goal of our work is to propose a transceiver design method adapted to microsensor networks. After a demonstration of predominant part of RF into the mean power consumption of a microsensor node, we developed three new simulation tools which correspond to different level of transceiver modelling. Their use and obtained simulation results demonstrate the relation between transceiver specifications and performances with power consumption. The association of these tools was used to propose a new design method under power consumption constraint. Finally, we designed, produced and tested a 868 MHz Low Noise Amplifier which presents interesting power consumption characteristics.
-Sensor networks
-Systematic approach
-Design and optimization under power constraint
Source: http://www.theses.fr/2008BOR13682/document

Sujets

• Autonomie

Informations

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• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

N° d’ordre : 3682


THÈSE

PRÉSENTÉE A

L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1

ÉÉCCOOLLEE DDOOCCTTOORRAALLEE DDEESS SSCCIIEENNCCEESS PPHHYYSSIIQQUUEESS EETT DDEE LL’’IINNGGÉNIEUR

Par Guillaume TERRASSON

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : Électronique

CCOONNTTRRIIBBUUTTIIOONN AA LLAA CCOONNCCEEPPTTIIOONN DD’’EEMMEETTTTEEUURR-
RECEPTEUR POUR MICROCAPTEURS AUTONOMES

Directeur de thèse : M. Skandar BASROUR – TIMA Grenoble
Co-directeur de thèse : M. Renaud BRIAND – LIPSI Bidart

Soutenue le : 2244 NNoovveemmbbrree 22000088

Devant la commission d’examen formée de :
M. PELLET, Claude Professeur IMS Université Bordeaux 1 Président
Mme, ROLLAND, Nathalie Professeur IEMN Université de Lille Rapporteure
M. NDAJIGIMANA, Fabien PPrrooffeesssseeuurr UJF Grenoble RRaappppoorrtteeuurr
M. BASROUR, Skandar PPrrooffeesssseeuurr TIMA UJF Grenoble DDiirreecctteeuurr ddee tthhèèssee
M. BRIAND, Renaud Docteur LISPI ESTIA Bidart Co-directeur de thèse
M. DEVAL, Yann Professeur IMS Université Bordeaux 1 Examinateur
M. O’CONNOR, Ian Professeur Ecole Centrale de Lyon Examinateur

Contribution à la conception d’émetteur-récepteur pour microcapteurs autonomes




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Contribution à la conception d’émetteur-récepteur pour microcapteurs autonomes


Remerciements

Je tiens, tout d’abord, à remercier Monsieur Jean-Roch GUIRESSE, directeur de l’ESTIA,
pour m’avoir accueilli au sein du laboratoire LIPSI d’ESTIA-Recherche.

Mes sincères remerciements vont à Messieurs Skandar BASROUR et Renaud BRIAND,
respectivement directeur et co-directeur de ma thèse, pour m’avoir fait l’honneur de diriger
ma thèse, pour m’avoir donné la chance de vivre cette expérience, pour m’avoir conseillé et
orienté dans mes travaux. Cette expérience enrichissante m’a permis d’acquérir de
l’autonomie et des connaissances dans un domaine d’actualité et porteur, pour cela, je les
remercie tout particulièrement.

Je remercie également tous les membres de mon jury, Madame Nathalie ROLLAND,
Messieurs Fabien NDAGIJIMANA, Ian O’CONNOR, Yann DEVAL et Claude PELLET
pour avoir accepté de consacrer du temps à l’évaluation de ces travaux de thèse et pour leurs
remarques pertinentes quant à la continuité de mes ceux-ci.

Mes sincères remerciements vont aussi aux personnes de l’ESTIA (Phoenicia, Sylvie, Maïder,
Charlotte, Sébastien, Hélène et bien d’autres) qui m’ont rendu ces trois et quelques années
plus agréables surtout dans les moments les plus difficiles.

Je remercie aussi tout particulièrement les doctorants du LIPSI pour les bons moments passés
ensemble : Olivier PIALOT pour les nombreuses conversations hors contextes, sportives et
politiques, Sébastien BOTTECCHIA et Olivier ZEPHIR pour les sorties « vieux » du
vendredi midi, les Mexicains et Colombiens pour leur bonne humeur de tous les jours, Olivier
ARRIJURIA pour les longs weekends passés à peaufiner nos layouts, Erika SAVOIE alias
Mamie Confiture pour sa bonne cuisine et son franc parlé, Jean TRUNZLER, Guillaume
POL, Patrick REUTER et bien d’autres (désolé à ceux que j’ai oublié).

Un grand MERCI tout spécial à celle que je considèrerai toujours comme ma petite sœur,
celle qui a su me supporter, qui a été là pour me redonner le sourire dans les moments les plus
difficiles, celle qui fut et sera encore pour quelques temps mon soutien de proximité. Je ne
pense pas avoir besoin de la nommer, elle se reconnaitra. Merci aussi à mes amis Poitevins
mais aussi à ceux du Pays Basque, notamment un grand merci à la « famille » du hand, Katia,
David, Charly et autres « Charrettes », ils seraient trop nombreux à citer.

Enfin, mes derniers et plus forts remerciements vont à mes parents qui ont toujours cru en
moi, qui m’ont soutenu moralement et financièrement tout au long de mes études. J’ai
conscience des efforts qu’ils ont faits pour moi et je ne saurais jamais les remercier assez de
cela. Je voudrais aussi remercier toute ma famille car même si je n’ai pas l’occasion de les
voir souvent, ils ont aussi participé à la réussite de cette thèse.
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iii Contribution à la conception d’émetteur-récepteur pour microcapteurs autonomes


TITRE

CONTRIBUTION A LA CONCEPTION D’UN EMETTEUR-RECEPTEUR
POUR MICROCAPTEURS AUTONOMES

Résumé
L’étude des réseaux de microcapteurs sans fil met clairement en évidence la contrainte
principale de l’autonomie en énergie. En effet, ces microcomposants autonomes et
communicants appelés aussi nœuds du réseau sont dispersés dans des lieux parfois peu ou pas
accessibles. L’objectif de notre travail est de proposer une méthode de conception d’un
émetteur-récepteur adapté à ce type de réseaux. Partant d’une modélisation au niveau système
mettant en relief la part prépondérante du module radiofréquence sur la consommation
moyenne d’un nœud, nous avons développé trois nouveaux outils de conception
correspondant à différents niveaux de modélisation de la chaine de communication. Leur
utilisation conjointe et les résultats de simulations obtenus nous offrent la possibilité de mettre
en relation les spécifications et les performances d’un module radiofréquence avec la
consommation. L’association de ces outils dans une méthode de conception itérative nous a
permis de dimensionner une chaine de communication en fonction d’une contrainte de
consommation. Finalement, nous avons conçu, fabriqué et testé, un amplificateur faible bruit
(LNA ou Low Noise Amplifier) à 868 MHz qui présente des caractéristiques très intéressantes
en termes de consommation.

Mots clés : réseaux de microcapteurs, autonomie, approche système, conception et
optimisation sous contrainte de consommation.

TITLE

DESIGN UNDER POWER CONSTRAINT OF A TRANSCEIVER FOR AUTONOMOUS
MICROSENSORS

Abstract
Survey on wireless microsensor networks highlights the main constraint of energy autonomy.
In fact, these autonomous and communicating microcomponents named network nodes are
scattered into few or not open environment. The goal of our work is to propose a transceiver
design method adapted to microsensor networks. After a demonstration of predominant part
of RF into the mean power consumption of a microsensor node, we developed three new
simulation tools which correspond to different level of transceiver modelling. Their use and
obtained simulation results demonstrate the relation between transceiver specifications and
performances with power consumption. The association of these tools was used to propose a
new design method under power consumption constraint. Finally, we designed, produced and
tested a 868 MHz Low Noise Amplifier which presents interesting power consumption
characteristics.

Keywords: sensor networks, systematic approach, design and optimization under power
constraint.

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Contribution à la conception d’émetteur-récepteur pour microcapteurs autonomes


Table des matières

INTRODUCTION GENERALE ........................................................................................................ 1
CHAPITRE I. MODELISATION DE LA CONSOMMATION D’UN NŒUD AU SEIN D’UN RESEAU DE
MICROCAPTEURS ........................................................................................................................ 3
I.1. Introduction ............................................................................................................... 4
I.2. Les réseaux de microcapteurs .................................................................................. 4
I.2.1. Principe ................................................................................................................. 4
I.2.2. Le nœud ................................................................................................................ 5
I.2.3. Description des différents éléments ..................................................................... 8
I.2.4. Catégories d’applications ................................................................................... 12
I.2.5. Spécifications typiques ....................................................................................... 15
I.3. Simulation d’un nœud ............................................................................................. 18
I.3.1. Modélisation ....................................................................................................... 19
I.3.2. Implémentation ................................................